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武汉大学庄林课题组在CO2规模电解转化研究方面取得进展
2024/04/23
图 (a)纯水CO2膜电解器的结构示意图;(b)与文献中报道的乙烯净电流密度及电解槽压比较
在国家自然科学基金项目(批准号:92045302、21991150、21991154)等资助下,武汉大学庄林课题组在基于碱性聚合物电解质的CO2电解转化制乙烯研究方面取得进展。研究成果以“双功能离子聚合物用于工业级电流密度纯水CO2共电解制乙烯(Bifunctional ionomers for efficient co-electrolysis of CO2 and pure water towards ethylene production at industrial-scale current densities)”为题,于2022年8月18日发表在《自然·能源》(Nature Energy)杂志上。论文链接:https://doi.org/10.1038/s41560-022-01092-9。
利用可再生能源将CO2规模转化为高值化学品和燃料是当前备受关注的研究热点,也是实现我国提出“双碳”目标的一个重要途径。CO2电解转化能否最终发展成工业技术,目前面临的一个实际挑战是电解过程中会消耗KOH溶液。使用KOH溶液能够保障电解在强碱环境中进行,抑制氢析出副反应,提升C2+产物(如乙烯)的选择性。但CO2会与KOH反应生成溶解度较低的碳酸盐,一方面需要不断更新KOH电解液;另一方面碳酸盐会析出并堵塞气体电极,引起传质问题,从而导致高的技术复杂性和成本。
为了摆脱对强碱环境的依赖,该团队设计了一种双功能离子聚合物,既可作为电解质传导离子,聚合物上的羰基在负电势下又具有活化CO2的作用。完全不使用/消耗液态电解质,以安培每平方厘米的工业级电流密度将CO2高选择性地转化为乙烯(法拉第效率>40%)。上述实验表明,该团队成功实现了“表面化学场耦合电催化”理念在器件上的应用(图)。
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