南開大學(xué)供圖

據(jù)了解，二氧化碳是主要的溫室氣體，將其“變廢為寶”是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵。零間隙膜電極電解槽是實(shí)現(xiàn)二氧化碳高效轉(zhuǎn)化的重要技術(shù)，但其運(yùn)行中長(zhǎng)期面臨析鹽、滲水及析氫副反應(yīng)等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性與碳利用率難以兼顧。

“就像日常生活中燒水壺結(jié)水垢一樣，電解槽中出現(xiàn)的‘水垢’容易堵塞管道、損壞設(shè)備，導(dǎo)致反應(yīng)很快中斷、不穩(wěn)定。”團(tuán)隊(duì)成員、南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院2022級(jí)博士生魏世蕾解釋道。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)提出更換核心“過濾部件”，采用多孔膜替代傳統(tǒng)離子交換膜，構(gòu)建酸性體系下的零間隙膜電極電解槽，選用合適孔徑與適當(dāng)親水性的多孔膜實(shí)現(xiàn)物質(zhì)傳輸平衡，從根本上改善反應(yīng)環(huán)境。這一設(shè)計(jì)有效抑制了析鹽與析氫副反應(yīng)，使系統(tǒng)在高電流密度下仍能保持優(yōu)異性能。

實(shí)驗(yàn)表明，在酸性電解液條件下，多孔膜電解槽在400毫安每平方厘米的電流密度下，一氧化碳法拉第效率達(dá)85%，遠(yuǎn)高于離子交換膜系統(tǒng)的不足20%。該系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行200小時(shí)的測(cè)試中表現(xiàn)穩(wěn)定，二氧化碳還原產(chǎn)物中一氧化碳比例接近100%，副產(chǎn)物極少且無(wú)析鹽現(xiàn)象。在100平方厘米大面積電解槽中，該技術(shù)仍能穩(wěn)定運(yùn)行超過120小時(shí)，一氧化碳比例保持約90%，展現(xiàn)出良好的可擴(kuò)展性與工業(yè)應(yīng)用潛力。

“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，換上多孔膜之后，不僅不會(huì)結(jié)‘水垢’，而且還能在更大的設(shè)備中穩(wěn)定運(yùn)行，這意味著它有潛力進(jìn)行工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)?！蔽菏览僬f(shuō)。

“這項(xiàng)成果為酸性膜電極二氧化碳還原電解槽提供了新的膜使用及設(shè)計(jì)策略，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)高附加值碳基燃料與化學(xué)品的電合成奠定了基礎(chǔ)?！绷_景山表示，團(tuán)隊(duì)始終致力于解決二氧化碳轉(zhuǎn)化中的科學(xué)難題，未來(lái)將進(jìn)一步優(yōu)化電極界面設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的二氧化碳電解技術(shù)向工業(yè)化轉(zhuǎn)化。（記者陳曦 通訊員高雨桐）

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