网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

Nature子刊 | 千瓦级无碱阳离子CO₂电解技术!

0
分享至

电催化CO2还原(ECO2R)通过将CO2转化为碳中性燃料与化学品,为工业脱碳提供了可持续路径。

尽管催化剂设计已取得进展,但缓慢的传质动力学仍制约着工业化规模应用。

2026年2月12日,香港理工大学刘树平、任竞争、江苏大学许晖在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Kilowatt-scale alkali-cation-free CO2 electrolysis via accelerating mass transfer》的研究论文,Xiaojie She、Zhihang Xu、Qiang Ma、Qiming Qian为论文共同第一作者,刘树平、任竞争、许晖为论文共同通讯作者。

在本文中,作者提出了一种高扩散通量气体扩散电极(HDF-GDE),在无碱阳离子体系中突破该瓶颈,实现了工业电流密度下的CO2转化率。

动力学分析表明,转化效率受传质效率主导而非流速。通过优化GDE结构以最大化CO2扩散效率与电极利用率,本文构建了千瓦级ECO2R系统,其稳定性超过1000小时,并可根据催化剂选择产出CO或C2H4。

在3 L/min CO2流速下,该系统经1000 h运行可产出144 kg CO(1.29 kW)或17 kg C2H4(1.95 kW)。

配备HDF-GDE的无碱阳离子ECO2R体系,在规模化CO/C2H4电合成中展现出经济可行性。

本研究弥合了实验室创新与实际应用之间的鸿沟,推动碳中性化学品制造技术发展。

电催化二氧化碳还原(ECO2R)技术作为连接化石能源与可持续能源的关键技术环节,被认为是工业层面快速削减二氧化碳排放的最有前景的方案之一。为了提升其实际可行性,ECO2R技术已从H型电解池发展到采用气体扩散电极(GDE)的流动池和膜电极组件(MEA)电池(图1)。然而,这些体系的稳定性仍然存在问题(例如碳酸盐生成和交叉)。最近,通过使用无碱金属阳离子(纯水进料)的MEA体系,MEA系统的稳定性已提高近一个数量级(ECO2R制乙烯的稳定性超过1000小时)。但其电流密度较低(制乙烯时仅约120 mA/cm2),导致产物收率有限(ECO2R制乙烯的CO2转化率仅约1%),这严重阻碍了ECO2R技术的工业化进程。

采用GDE的ECO2R MEA电池源自燃料电池领域(图1a-1c及补充图2)。然而,ECO2R系统比燃料电池更为复杂(见补充说明1)。以碳纸GDE(CP-GDE)为例,在ECO2R阴极,析氢反应(HER)产生的H2、多种产物以及未反应的CO2使得系统内的传质过程十分复杂(图1b)。这导致了高ECO2R产物选择性(法拉第效率:FE)与高CO2转化率之间存在不可调和的矛盾(详见补充说明1,以及补充图3和表7)。即,降低反应物CO2的入口流速虽可提高CO2转化率,但这会显著减缓CP-GDE中的CO2传质动力学并降低产物选择性。

为同时实现高CO2转化率和高产物选择性,本文提出了一种高扩散通量气体扩散电极(HDF-GDE),该电极仅由催化剂构成(图1d)。HDF-GDE可使CO2无需穿过惰性的CP-GDE基底而直接扩散进入催化剂层(图1e)。这不仅能显著增加物质进出HDF-GDE的整体通量,还能极大地提高GDE的空间利用率。从化学动力学角度看,HDF-GDE可加速系统的传质动力学,增加催化剂表面的CO2和关键反应中间体(如CO)的覆盖度,并降低来自水传递的H覆盖度。由于ECO2R活性对CO2/*CO覆盖度具有一阶或二阶依赖关系,这有望提升ECO2R活性。

在本研究中目标是通过加速传质动力学,在高稳定性的无碱金属阳离子ECO2R体系中实现高工作电流密度(即高CO2转化率),同时保持高产物选择性。此处的无碱金属阳离子条件指水中来源的痕量钠离子。为此,作者开发了一种HDF-GDE,其在催化剂中间层包含一个不锈钢网骨架。我们选用高性能的阶梯表面银(SS-Ag)催化剂作为模型催化剂来研究该体系的传质动力学,因其具有单一产物选择性(即CO)。结果表明,通过提高传质效率,无碱金属阳离子ECO2R制CO体系的电流密度从150 mA/cm²提升至400 mA/cm2,同时保持了高产物法拉第效率(~93%)。为进一步提高CO₂转化率并推动ECO2R技术的工业化,本文设计并定制了一个千瓦级的无碱金属阳离子MEA电堆,该电堆装配了HDF-GDE,用以评估整个系统的稳定性。

在~1.29 kW(60 A)的功率和3 L/min的CO2入口流速下,CO2转化率突破81%,CO法拉第效率达~90%。此外,HDF-GDE策略也成功应用于ECO2R制乙烯。在~1.95 kW(75 A)的功率和3 L/min的CO2入口流速下,ECO2R制乙烯的CO2转化率提高了约15倍。这两个系统的稳定性均超过1000小时,分别产出了~144 kg CO和~17 kg C2H4。对传质动力学的实时分析有望革新ECO2R系统的设计,并加速其工业部署。

综上,作者针对电催化二氧化碳还原(ECO2R)技术在工业化进程中因传质动力学缓慢而导致的高产物选择性与高CO2转化率难以兼得的核心瓶颈,提出了一种创新的高扩散通量气体扩散电极(HDF-GDE)策略。

传统碳纸GDE(CP-GDE)中惰性基底阻碍了反应物和产物的高效传输,而HDF-GDE通过摒弃该基底,仅由催化剂、疏水性PTFE和嵌入其中的不锈钢网骨架构成,使CO2能够直接接触催化剂活性位点,从而极大加速了整个系统的传质动力学。

研究团队以具有阶梯表面的银(SS-Ag)纳米颗粒为模型催化剂,在无碱金属阳离子(纯水进料)的MEA体系中验证了该设计的有效性。

结果表明,HDF-GDE不仅将ECO2R制CO的电流密度从150 mA/cm2大幅提升至400 mA/cm2,同时保持了约90%的高法拉第效率,且CO2转化率显著提高。

更重要的是,该策略成功实现了千瓦级的系统放大,装配有HDF-GDE的电堆在超过1000小时的长期运行中表现出卓越的稳定性,分别以1.29 kW和1.95 kW的功率高效生产了144 kg CO和17 kg C2H4,其CO2单程转化率分别高达81%和较基准提升约15倍。

经济性分析进一步证实,该无碱金属阳离子HDF-GDE系统在大规模生产CO方面已具备经济可行性,其成本低于市场价格,凸显了其巨大的工业应用潜力。

Kilowatt-scale alkali-cation-free CO2 electrolysis via accelerating mass transfer.

Nat. Commun.
2026. https://doi.org/10.1038/s41467-026-69175-9.

(来源:材料化学动态版权属原作者 谨致谢意)

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
退圈7年“人间蒸发”,71岁费玉清现状曝光,和62岁女伴一起养老

退圈7年“人间蒸发”,71岁费玉清现状曝光,和62岁女伴一起养老

大眼妹妹
2026-10-04 15:59:44
普京:须清醒认识并牢记西方威胁

普京:须清醒认识并牢记西方威胁

澎湃新闻
2026-10-04 12:10:01
霍尔木兹海峡突然静了:伊朗只提一个条件,美国为啥死活不接

霍尔木兹海峡突然静了:伊朗只提一个条件,美国为啥死活不接

纪史行者
2026-09-30 09:07:04
10月4日,人社部和财政部调整退休人员基本养老金的通知公布了吗

10月4日,人社部和财政部调整退休人员基本养老金的通知公布了吗

白昼说故事
2026-10-04 07:35:36
中国男篮,首次输给中国男足...

中国男篮,首次输给中国男足...

左右为篮
2026-10-05 00:07:05
博士可直聘副处级:这所高校把「逐级晋升」这道门槛拆了

博士可直聘副处级:这所高校把「逐级晋升」这道门槛拆了

生物学霸
2026-10-03 17:09:47
坐高铁遇到一位特别爱干净的阿姨,旁边人本来没在意,看到她这一举动,大家都没忍住多了看两眼

坐高铁遇到一位特别爱干净的阿姨,旁边人本来没在意,看到她这一举动,大家都没忍住多了看两眼

背包旅行
2026-08-30 16:57:10
西子湖畔,女模特悄然伫立,宛如天仙下凡尘

西子湖畔,女模特悄然伫立,宛如天仙下凡尘

史海流年号
2026-10-03 10:51:38
两性心理学:同房时真正生理性喜欢,不是接吻,不是拥抱,而是这种感觉

两性心理学:同房时真正生理性喜欢,不是接吻,不是拥抱,而是这种感觉

心理观察局
2026-09-14 06:16:07
音乐学家田青公开刘欢病情:生前受癌症与股骨头等多种疾病折磨

音乐学家田青公开刘欢病情:生前受癌症与股骨头等多种疾病折磨

娱慧
2026-10-02 17:43:25
诺奖开奖在即,3位华人科学家成功杀入诺奖候选!今年奖金还涨了

诺奖开奖在即,3位华人科学家成功杀入诺奖候选!今年奖金还涨了

兵卒史
2026-10-04 16:24:41
今天是10月4日,国庆假期第四天。关于2026年退休人员基本养老金调整,有4个“没想到”。

今天是10月4日,国庆假期第四天。关于2026年退休人员基本养老金调整,有4个“没想到”。

骑驴追光者
2026-10-04 11:14:41
社区免费体检没人去?真相不是老人糊涂,是怕得明明白白

社区免费体检没人去?真相不是老人糊涂,是怕得明明白白

偷喝一口奶
2026-08-31 08:26:56
漂亮的脸蛋太多了,我只想做个幸福的小女孩

漂亮的脸蛋太多了,我只想做个幸福的小女孩

疾跑的小蜗牛
2026-10-04 19:20:52
薛飞:34岁辞职央视,出国摆地摊,43岁回国教书,儿子是他的骄傲

薛飞:34岁辞职央视,出国摆地摊,43岁回国教书,儿子是他的骄傲

悦君兮君不知
2026-10-04 00:39:53
日本女篮首秀28分大胜!1.63米核心14分小试牛刀 曾击败张子宇获MVP

日本女篮首秀28分大胜!1.63米核心14分小试牛刀 曾击败张子宇获MVP

颜小白的篮球梦
2026-10-04 20:19:11
我哥活的真通透,每月退休金1300元,每天大门不出二门不迈

我哥活的真通透,每月退休金1300元,每天大门不出二门不迈

王姐懒人家常菜
2026-10-05 01:44:54
42.6万片酬到手5万,解约不要钱,她凭什么6年搭遍影帝顶流

42.6万片酬到手5万,解约不要钱,她凭什么6年搭遍影帝顶流

喜欢历史的阿繁
2026-09-28 12:31:43
公路车骑行服,熟女骑行穿搭,利落面料勾勒饱满曲线

公路车骑行服,熟女骑行穿搭,利落面料勾勒饱满曲线

只要高兴就好
2026-09-24 11:58:50
进入10月最该吃的不是萝卜白菜,而是这3样“黄金菜”,别错过

进入10月最该吃的不是萝卜白菜,而是这3样“黄金菜”,别错过

房产衫哥
2026-10-05 02:08:23
2026-10-05 03:32:49
化学人生 incentive-icons
化学人生
~人生如化学 化学悟人生~
7590文章数 20659关注度
往期回顾 全部

科技要闻

苹果确认:iPhone 18 Pro Max有问题

头条要闻

30多岁中国夫妇在澳洲遇惨烈车祸丧生 肇事司机仅17岁

头条要闻

30多岁中国夫妇在澳洲遇惨烈车祸丧生 肇事司机仅17岁

体育要闻

32胜0负!德约2-1逆转头号种子兹维列夫 第7次晋级中网四强

娱乐要闻

高晓松悄悄复出:官媒没给他留体面

财经要闻

OpenAI前安全部门员工:公司文化已崩坏

汽车要闻

方程豹9月热销破4万 首款皮卡鲨鱼将于四季度上市

态度原创

时尚
教育
房产
本地
家居

谭卓&胡一天,邀你一起“网”下面基

教育要闻

一年级只招1人,大批学校撤并,农村小学还有未来吗?

房产要闻

保利大爆发,冲到榜一!海南楼市前三季度,热销榜出炉!

本地新闻

中秋逛白塔寺,体验国医妙荟雅集

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

无障碍浏览 进入关怀版