莱斯大学突破性进展使二氧化碳电解槽持续运行时间延长50倍

他们发表在《科学》杂志上的研究解决了CO₂还原系统性能和稳定性的一个主要瓶颈：盐分的积累会堵塞气体流道、降低效率并导致设备过早失效。研究人员使用一种他们称为酸加湿CO₂的技术，将CO₂还原系统的运行寿命延长了50倍以上，在一个放大反应器中展示了超过4500小时的稳定运行——这是该领域的一个里程碑。

电化学CO₂还原（简称CO₂RR）是一种新兴的绿色技术，它利用电力（理想情况下来自可再生能源）将导致气候变暖的CO₂转化为有价值的产品，如一氧化碳、乙烯或醇类。这些产品可进一步精炼成燃料或用于工业过程，有望将主要污染物转化为原料。

然而，系统稳定性差阻碍了其实际应用。一个持续存在的问题是碳酸氢钾盐在气体流道中的积累，这是在钾离子从阳极电解液穿过阴离子交换膜迁移到阴极反应区，并在高pH条件下与CO₂结合时发生的。

“盐沉淀会阻碍CO₂传输并淹没法气体扩散电极，从而导致性能故障，”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以及化学系副教授王昊天（Haotian Wang）说。“这通常发生在几百小时内，远未达到商业可行性。”

为了解决这个问题，莱斯大学的研究团队尝试对标准程序进行了一个巧妙的改动。他们没有使用水来加湿输入反应器的CO₂气体，而是让气体通过诸如盐酸、甲酸或乙酸等酸溶液进行鼓泡。

微量的酸蒸气被带入阴极反应室，其量刚好足以改变局部化学反应环境。因为与这些酸形成的盐比碳酸氢钾的溶解度高得多，它们不会结晶并堵塞流道。

效果是显著的。在使用银催化剂（一种将CO₂转化为一氧化碳的常用基准催化剂）的测试中，系统在实验室规模装置中稳定运行超过2000小时，在一个100平方厘米的放大电解槽中稳定运行超过4500小时。相比之下，使用标准水加湿CO₂的系统因盐分积累在大约80小时后失效。

重要的是，酸加湿方法在多种催化剂类型上被证明是有效的，包括氧化锌、氧化铜和氧化铋，这些催化剂都用于生产不同的CO₂RR目标产物。研究人员还证明，该方法可以放大规模而不影响性能，大型设备能保持能源效率并在长时间运行中避免盐堵塞。

他们观察到阴离子交换膜的腐蚀或损坏极小——这些膜通常对氯离子敏感，这得益于保持了较低的酸浓度。该方法也被证明与常用的膜和材料兼容，增强了其集成到现有系统的潜力。

为了实时观察盐的形成，该团队使用了带有透明流道的定制反应器。在传统的水加湿条件下，盐晶体在48小时内开始形成。然而，使用酸加湿的CO₂时，即使在数百小时后也未观察到显著的晶体积累，任何小的沉积物最终都会被溶解并带出系统。

“使用传统的水加湿CO₂方法可能导致盐在阴极气体流道中形成，”该研究的共同第一作者、莱斯大学化学与生物分子工程博士后郝少云（Shaoyun Hao）说。“我们假设——并证实了——酸蒸气可以溶解盐分，并将低溶解度的KHCO₃转化为溶解度更高的盐，从而微调溶解度平衡以防止堵塞，同时又不会影响催化剂性能。”

这项工作为开发更耐用、可扩展的CO₂电解槽打开了大门——如果该技术要作为碳捕获和利用策略的一部分在工业规模上部署，这一点至关重要。该方法的简单性，仅需对现有加湿设置进行微小调整，意味着无需重大重新设计或增加成本即可采用。

“这是CO₂电解领域的一项重大发现，”该研究的共同第一作者、莱斯大学化学与生物分子工程研究生艾哈迈德·埃尔加扎尔（Ahmad Elgazzar）说。“我们的方法以低成本、易于实施的解决方案解决了一个长期存在的障碍。这是使碳利用技术更具商业可行性和更可持续的一步。”

这项工作得到了罗伯特·A·韦尔奇基金会、莱斯大学、美国国家科学基金会以及大卫与露西尔·帕卡德基金会的支持。