莱斯大学突破性进展使二氧化碳电解槽运行时间延长50倍

他们发表在《科学》杂志上的研究解决了二氧化碳还原系统性能和稳定性的主要瓶颈：盐分堆积导致气体流道堵塞、效率降低并造成设备过早失效。研究人员采用一种称为"酸加湿二氧化碳"的技术，将二氧化碳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4500小时的稳定运行——这标志着该领域的重大突破。

电化学二氧化碳还原（CO₂RR）是一项新兴绿色技术，利用可再生能源电力将导致气候变暖的二氧化碳转化为一氧化碳、乙烯或醇类等有价值产物。这些产物可进一步精炼成燃料或用于工业流程，有望将主要污染物转化为生产原料。

但系统稳定性差一直阻碍实际应用。其中关键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到达阴极反应区，在高pH条件下与CO₂结合时就会发生这种现象。

"盐沉积会阻碍二氧化碳传输并淹没气体扩散电极，导致系统失效，"该研究通讯作者、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。"这种情况通常发生在几百小时内，远未达到商业应用要求。"

为解决这个问题，莱斯大学团队对标准流程进行了巧妙改进。他们不再用水加湿输入反应器的二氧化碳气体，而是让气体通过盐酸、甲酸或乙酸等酸性溶液形成气泡。

微量酸蒸气被带入阴极反应室，恰好能改变局部化学环境。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。

效果非常显著。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，实验室规模设备稳定运行超过2000小时，100平方厘米的放大电解槽运行超过4500小时。相比之下，采用传统水加湿二氧化碳的系统约80小时后就会因盐堆积而失效。

值得注意的是，这种酸加湿方法对多种催化剂类型都有效，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规模化应用，大型设备在长期运行中保持能效且避免盐堵塞。

通过保持低酸浓度，研究人员观察到对氯离子通常敏感的阴离子交换膜仅出现轻微腐蚀。该方法也与常用膜材料兼容，增强了其与现有系统集成的潜力。

为实时观察盐分形成，团队使用定制透明流道反应器。传统水加湿条件下，48小时内就开始形成盐晶体。而使用酸加湿二氧化碳时，数百小时后仍未观察到明显晶体堆积，少量沉积物最终会溶解并排出系统。

"使用传统水加湿二氧化碳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。"我们提出并验证了酸蒸气可以溶解盐分，将低溶解度的KHCO₃转化为更高溶解度的盐，在不影响催化剂性能的前提下微调溶解度平衡来避免堵塞。"

这项研究为开发更耐用、可扩展的二氧化碳电解器开辟了道路，对碳捕集与利用技术的工业化应用至关重要。该方法只需对现有加湿装置进行微小调整，意味着无需重大重新设计或额外成本即可实施。

"这是二氧化碳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表示。"我们的方法以低成本、易实施的方案解决了长期存在的障碍。这推动碳利用技术向更具商业可行性和可持续性迈进了一步。"

该研究获得了罗伯特·韦尔奇基金会、莱斯大学、美国国家科学基金会以及戴维&露西尔·帕卡德基金会的支持。