莱斯大学突破性进展可使二氧化碳电解器运行时间延长50倍

他们的研究发表在《Science》杂志上，旨在解决二氧化碳还原系统性能和稳定性的一个主要瓶颈：盐分积累堵塞气流通道、降低效率并导致设备过早失效。通过采用一种称为酸湿化二氧化碳的技术，研究人员将二氧化碳还原系统的运行寿命延长了50倍以上，在放大反应器中展示了超过4,500小时的稳定运行——这是该领域的里程碑。

电化学二氧化碳还原（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）将气候变暖的二氧化碳转化为一氧化碳、乙烯或酒精等有价值产物。这些产物可进一步精炼为燃料或用于工业过程，有可能将主要污染物转化为原料。

然而，系统稳定性差一直阻碍着实际应用。一个持续存在的问题是碳酸氢钾盐在气流通道中的积累，这发生在钾离子从阳极液迁移穿过阴离子交换膜到达阴极反应区，并在高pH条件下与CO₂结合时。

"盐析阻碍二氧化碳传输并淹没气体扩散电极，导致性能故障，"研究的通讯作者王浩天表示，他是莱斯大学的化学与生物分子工程、材料科学与纳米工程以及化学副教授。"这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，莱斯团队对标准程序进行了巧妙调整。他们不再用水湿润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起泡。

酸蒸气以微量进入阴极反应室，刚好足以改变局部化学环境。由于这些酸形成的盐比碳酸氢钾更易溶解，它们不会结晶堵塞通道。

效果显著。在使用银催化剂（将二氧化碳转化为一氧化碳的常见基准）的测试中，系统在实验室规模设备中稳定运行超过2,000小时，在100平方厘米的放大电解槽中运行超过4,500小时。相比之下，使用标准水湿化二氧化碳的系统因盐分积累在约80小时后失效。

重要的是，酸湿化方法在多种催化剂类型中均有效，包括氧化锌、氧化铜和氧化铋，这些催化剂用于靶向不同的CO₂RR产物。研究人员还证明该方法可规模化而不影响性能，大型设备在长期运行中保持能源效率并避免盐堵塞。

通过保持低酸浓度，他们观察到阴离子交换膜（通常对氯化物敏感）的腐蚀或损伤极小。该方法还证明与常用膜和材料兼容，增强了其融入现有系统的潜力。

为实时观察盐分形成，团队使用定制反应器配备透明流板。在传统水湿化下，盐晶体在48小时内开始形成。然而，使用酸湿化二氧化碳后，即使数百小时后也未观察到显著晶体积累，任何小沉积分最终溶解并从系统中排出。

"使用传统水湿化二氧化碳方法可能导致阴极气流通道盐分形成，"共同第一作者郝少云表示，他是莱斯大学化学与生物分子工程博士后研究员。"我们假设并证实酸蒸气能溶解盐分，将低溶解度的KHCO₃转化为更高溶解度的盐，从而微妙调整溶解度平衡以在不影响催化剂性能的情况下避免堵塞。"

这项工作为更耐久、可扩展的二氧化碳电解槽打开了大门，这对作为碳捕获和利用策略一部分在工业规模部署该技术至关重要。该方法的简洁性（仅需对现有湿化装置进行微小调整）意味着无需重大重新设计或额外成本即可采用。

"这是二氧化碳电解的重大发现，"共同第一作者艾哈迈德·埃尔加扎尔表示，他是莱斯大学化学与生物分子工程研究生。"我们的方法以低成本、易实施的方案解决了一个长期障碍。这是使碳利用技术更具商业可行性和可持续性的一步。"

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戴维和露西尔·帕卡德基金会的支持。