2月1日，記者從華中科技大學獲悉，該校化學與化工學院夏寶玉教授團隊利用回收的廢舊電池，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為具有高經(jīng)濟價值的甲酸。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《自然》雜志。
廢舊電池與溫室氣體能否負負得正？這是夏寶玉團隊一直在探索的問題。
據(jù)介紹，電解二氧化碳可獲得二十余種產(chǎn)物。其中，甲酸具有顯著經(jīng)濟價值，在燃料電池、醫(yī)藥領(lǐng)域等有廣泛用途。高效獲得高純甲酸，不僅能消耗二氧化碳，還能創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。
夏寶玉團隊朝著這個研究方向，歷時近五年，創(chuàng)建了質(zhì)子交換膜二氧化碳電解系統(tǒng)，讓甲酸的生成率超過93%，并連續(xù)穩(wěn)定運行5000小時以上，取得良好實驗結(jié)果。
該團隊的研究數(shù)據(jù)為何能“遙遙領(lǐng)先”？與眾多研究不同的是，團隊采用酸性電解液完成了這一系統(tǒng)。當前，電催化二氧化碳還原技術(shù)中，研究人員使用的電解液大多呈堿性，相當一部分二氧化碳會被堿性電解液吸收并生成大量碳酸鹽在電極表面沉積，大幅降低轉(zhuǎn)化效率和壽命。
“采用酸性電解液就能極大提升轉(zhuǎn)化效率。”該團隊創(chuàng)新提出一項解決方案。然而，許多催化劑不耐酸腐蝕，難以高效穩(wěn)定地進行還原反應(yīng)。研究過程中，團隊主要成員房文生不斷嘗試，巧妙利用回收來的廢舊電池獲得一種鉛基耐酸腐蝕的二氧化碳還原電催化劑。
全新的反應(yīng)機理讓二氧化碳在電解過程中只產(chǎn)生甲酸和少量氫氣的同時，還實現(xiàn)極高的轉(zhuǎn)化效率。不僅如此，這種性能優(yōu)越的催化劑還能實現(xiàn)公斤級甚至噸級的量產(chǎn)，以滿足工業(yè)化需求。
但實際運行過程中，研究團隊又遇到新的問題，即電解系統(tǒng)的壽命遠不能達到工業(yè)化應(yīng)用需求。
通過深入研究，該團隊發(fā)現(xiàn)借助水來完成氧化反應(yīng)會生成陽極副產(chǎn)物，腐蝕系統(tǒng)中關(guān)鍵部件——質(zhì)子交換膜，進而影響整個電解體系的性能與壽命。
隨后，夏寶玉推出“以氫氣替換水”思路。這不僅有效避免質(zhì)子交換膜的腐蝕，大幅提高穩(wěn)定性和使用壽命，還極大減少系統(tǒng)的耗電量，收獲了意想不到的效果。解決種種困難后，團隊對反應(yīng)器件構(gòu)造進行優(yōu)化設(shè)計，最終實現(xiàn)在3.6V槽壓下20A電流的低能耗高效益電解反應(yīng)，能連續(xù)運行5000小時以上。
“這項技術(shù)的經(jīng)濟價值十分可觀?！毕膶氂裾f，團隊設(shè)計的二氧化碳電解反應(yīng)器能在高效穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上實現(xiàn)面積與產(chǎn)量40倍放大。按照當前市場成本估計，每電解產(chǎn)生1噸甲酸，就將獲得244美元盈利，并有望實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。（記者 吳純新 通訊員 范千）
（受訪單位供圖）
