莱斯大学突破性技术可使二氧化碳电解槽持续运行时长增加50倍

发表在《科学》杂志上的这项研究，解决了CO₂还原系统性能和稳定性的一个主要瓶颈：盐分堆积会堵塞气体流道、降低效率并导致装置过早失效。研究人员采用一种名为"酸润湿CO₂"的技术，将CO₂还原系统的运行寿命延长了50倍以上，在放大反应器中实现了超过4,500小时的稳定运行——这是该领域的里程碑。

电化学CO₂还原（CO₂RR）是一项新兴绿色技术，利用电力（理想情况下来自可再生能源）将导致气候变暖的CO₂转化为一氧化碳、乙烯或醇类等有价值产物。这些产物可进一步精炼为燃料或用于工业流程，有望将主要污染物转化为原料。

然而，系统稳定性差阻碍了实际应用。一个长期存在的问题是碳酸氢钾盐在气体流道中的积累，当钾离子从阳极电解液穿过阴离子交换膜迁移至阴极反应区，并在高pH条件下与CO₂结合时就会发生这种现象。

"盐沉淀会阻断CO₂传输并淹没气体扩散电极，从而导致性能失效，"该研究的通讯作者、莱斯大学化学与生物分子工程、材料科学与纳米工程及化学系副教授王浩天表示。"这种情况通常在几百小时内发生，远未达到商业可行性。"

为解决此问题，莱斯大学团队对标准流程进行了巧妙改进。他们不再用水润湿输入反应器的CO₂气体，而是使气体通过盐酸、甲酸或乙酸等酸性溶液进行鼓泡。

微量的酸蒸汽被带入阴极反应室，恰好足以改变局部化学反应环境。由于这些酸形成的盐比碳酸氢钾溶解度更高，因此不会结晶堵塞通道。

效果显著。在使用银催化剂（将CO₂转化为一氧化碳的常用基准）的测试中，系统在实验室规模装置中稳定运行超过2,000小时，在100平方厘米的放大电解槽中超过4,500小时。相比之下，使用标准水润湿CO₂的系统因盐分堆积约80小时后即失效。

重要的是，这种酸润湿方法在多种催化剂类型中均证明有效，包括用于不同CO₂RR产物的氧化锌、氧化铜和氧化铋。研究人员还证明该方法可放大而不影响性能，大型设备能长期保持能源效率并避免盐堵塞。

通过保持低酸浓度，他们观察到对氯离子敏感的阴离子交换膜腐蚀或损坏极小。该方法也证明与常用膜材料和部件兼容，增强了其集成到现有系统的潜力。

为实时观察盐分形成，团队采用定制透明流道板的反应器。在传统水润湿条件下，盐晶体在48小时内开始形成。而使用酸润湿CO₂时，即使数百小时后也未观察到明显晶体积累，微量沉积物最终会溶解并排出系统。

"使用传统水润湿CO₂方法会导致阴极气体流道形成盐结晶，"共同第一作者、莱斯大学化学与生物分子工程博士后郝少云解释。"我们假设并证实——酸蒸汽可溶解盐分，将低溶解度的KHCO₃转化为高溶解度盐，从而微调溶解度平衡避免堵塞，且不影响催化剂性能。"

该研究为开发更耐用、可放大的CO₂电解槽开辟了道路，这对碳捕获与利用战略的工业级部署至关重要。该方法仅需对现有润湿装置微小调整，意味着无需重大重新设计或增加成本即可实施。

"这是CO₂电解领域的重大发现，"共同第一作者、莱斯大学化学与生物分子工程研究生Ahmad Elgazzar强调。"我们的方法以低成本、易实施的方案解决了长期障碍。这推动碳利用技术更具商业可行性和可持续性。"

本工作获得罗伯特·A·韦尔奇基金会、莱斯大学、美国国家科学基金会及大卫与露西尔·帕卡德基金会的支持。