莱斯大学突破性成果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，解决了一个困扰二氧化碳还原系统性能和稳定性的主要瓶颈：盐分堆积堵塞气体流道、降低效率并导致装置过早失效的问题。采用一种他们称为“酸加湿二氧化碳”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，在一个放大反应器中演示了超过4,500小时的稳定运行——这是该领域的一个里程碑。

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）将导致气候变暖的二氧化碳（CO₂）转化为有价值的产物，如一氧化碳、乙烯或醇类。这些产物可进一步精炼成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、莱斯大学化学及生物分子工程、材料科学与纳米工程及化学副教授王昊天（Haotian Wang）说。“这通常发生在几百小时内，远远达不到商业可行性要求。”

为了解决这个问题，莱斯大学的研究团队尝试了对标准流程进行一项巧妙的改进。他们没有使用水来加湿输入反应器的CO₂气体，而是将气体通入盐酸、甲酸或乙酸等酸溶液中起泡。

酸溶液中携带的微量蒸气进入阴极反应室，其量刚好足以改变局部化学环境。由于与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流道。

效果非常显著。在使用银催化剂（一种将CO₂转化成一氧化碳的常用基准）的测试中，该系统在实验室规模装置中稳定运行超过2,000小时，在一个100平方厘米的放大电解槽中稳定运行超过4,500小时。相比之下，使用标准水加湿CO₂的系统因盐堆积在大约80小时后就会失效。

重要的是，酸加湿方法在多种催化剂类型上都证明有效，包括氧化锌、氧化铜和氧化铋，这些催化剂都被用于生产不同的CO₂RR产物。研究人员还证明，该方法可以放大规模而不影响性能，大型装置能长期保持能源效率并避免盐堵塞。

他们通过保持低酸浓度，观察到对通常对氯离子敏感的阴离子交换膜的腐蚀或损坏极少。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。在传统的水加湿条件下，盐晶在48小时内就开始形成。然而，在使用酸加湿的CO₂时，即使运行数百小时后也未观察到明显的晶体堆积，任何小的沉积物最终都会溶解并被带出系统。

“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，”莱斯大学化学及生物分子工程博士后研究员、共同第一作者郝少云（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，从而刚好使溶解度平衡发生偏移，避免堵塞而不影响催化剂性能。”

这项工作为开发更耐用、可扩展的二氧化碳电解槽打开了大门。如果想作为碳捕集与利用策略的一部分在工业规模部署该技术，这一点至关重要。该方法操作简单，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额外成本即可采用。

“这是二氧化碳电解领域的一项重大发现，”莱斯大学化学及生物分子工程研究生、共同第一作者艾哈迈德·埃尔加扎尔（Ahmad Elgazzar）说。“我们的方法以低成本、易于实施的方案解决了一个长期存在的障碍。这是朝着使碳利用技术更具商业可行性和可持续性迈出的一步。”

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和露西尔·帕卡德基金会的支持。