莱斯大学突破性成果可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二氧化碳（CO₂）还原系统性能和稳定性的一个主要瓶颈：盐分的积聚会堵塞气体流道、降低效率并导致装置过早失效。研究人员采用一种他们称之为“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CO₂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）将导致气候变暖的CO₂转化为一氧化碳、乙烯或醇类等有价值的产品。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到阴极反应区，并在高pH条件下与CO₂结合时就会发生这种情况。

“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在一个标准程序上尝试了一个巧妙的变通方案。他们没有用水来加湿输入反应器的CO₂气体，而是让气体通过盐酸、甲酸或乙酸等酸性溶液进行鼓泡。

酸蒸汽以微量形式被带入阴极反应室，仅够改变局部化学环境。由于这些酸形成的盐比碳酸氢钾易溶得多，它们不会结晶并堵塞通道。

效果是显著的。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运行超过4,500小时。相比之下，使用标准水加湿CO₂的系统在大约80小时后因盐分积聚而失效。

重要的是，酸加湿方法在多种催化剂类型上均被证明有效，包括用于生产不同CO₂RR产品的氧化锌、氧化铜和氧化铋。研究人员还证明，该方法可以规模化应用而不影响性能，大型装置能长期保持能源效率并避免盐堵塞。

通过保持低酸浓度，他们观察到对通常对氯化物敏感的阴离子交换膜的腐蚀或损伤极小。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中的潜力。

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CO₂时，即使在数百小时后也未观察到明显的晶体积聚，任何微小的沉积物最终都会被溶解并带出系统。

“使用传统的CO₂水加湿方法会导致阴极气体流道中形成盐，”共同第一作者、莱斯大学化学与生物分子工程博士后研究员郝少云表示。“我们假设——并得到证实——酸蒸汽可以溶解盐分并将低溶解度的KHCO₃转化为溶解度更高的盐，从而稍微改变溶解度平衡以避免堵塞，同时不影响催化剂性能。”

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，这是至关重要的。该方法简单，仅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增加成本即可采用。

“这是CO₂电解领域的一项重大发现，”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露西尔·帕卡德基金会的支持。