二氧化碳高效“变身”燃料 关键靠它

化石燃料的消耗不仅导致大气中二氧化碳含量的不断增加，导致全球温室效应，还使得化石资源日益枯竭，导致能源短缺。如果二氧化碳被“转化”成高价值的化学品和燃料，它将“一举两得”。

厦门大学化学化工学院王业教授团队和程军团队共同开发了氢辅助碳碳耦合的新方法，并设计合成了氟改性铜催化剂，实现了CO2高效电催化还原为乙烯和乙醇，为CO2电催化还原的工业化应用奠定了重要的科学基础。相关的研究结果发表在4月20日的《自然-催化》杂志上。

电催化转化显示出优势

CO2的资源化利用已成为当前各国研究的热点，其中CO2的电催化转化是一种备受关注的技术途径。

“利用太阳能等可再生资源发电，将二氧化碳催化成高价值的化学品和燃料，对于建立可持续的碳循环和缓解能源危机具有重要意义，这也是‘液态阳光’的重要目标之一。”该论文的交流作者之一王业告诉《中国科学》。

与其他CO2催化转化方法相比，CO2电催化转化具有许多优点。

王业介绍说，在CO2转化过程中需要氢化过程，但是传统的热催化CO2氢化过程通常需要高温和高压反应条件，并且消耗昂贵的氢气。同时，反应中间体碳碳耦合是通过不可控的聚合机理实现的，这使得C2+产物的分布难以集中，特定目标产物的选择性低，并产生大量的一氧化碳和甲烷。

然而，电催化还原CO2可以直接以水为氢源，利用可再生电能在温和条件下实现CO2和H2O的共还原，生成C2+产物。与热催化相比，电催化通过不同的碳碳耦合机制实现了CO2的还原耦合，能够更好地调控碳碳耦合过程。

目前，尽管在将CO2电催化还原成C2+化合物方面取得了一些进展，但是可以高选择性地获得特定的C2+产物。然而，这种高选择性只能用低活性来实现，这使得很难提高工业生产中非常关注的C2+的产率。如何同时解决电催化还原CO2过程中的“高活性和高选择性”问题是一个大问题。

实现二氧化碳利用的“双高”

研究人员通过开发两种“人工产物”——电催化还原CO2的新方法和催化剂——来“辅助”。

该论文的作者之一谢勋寁向《中国科学日报》介绍说，鉴于在CO2电催化还原中具有高法拉第效率的催化剂的低活性，他们提出了适当提高催化剂活化水的能力以提高CO2还原活性的重要性。根据这一思想，他们开发了一种新的氢辅助碳碳耦合方法，并设计合成了氟改性铜催化剂。二者的结合实现了CO2电催化还原为乙烯和乙醇的性能突破。

结果表明，在具有气体扩散电极的流动电解池中，该催化剂可以实现1.6A·cm-2的高电流密度，C2+产物(主要是乙烯和乙醇)的法拉第效率为80%，突破了电流限制，并且该催化剂在40小时的稳定性测试中保持稳定。此外，当C2-4选择性为85.8%时，单程收率可达16.5%，乙烯和乙醇选择性和单程收率分别达到80.2%和15.4%。

值得一提的是，与传统的高温高压CO2催化加氢性能相比，该方法在同等转化率下可获得较高的产品选择性和单程收率。此外，结合密度泛函理论和原位红外研究，研究人员还揭示了一种新的碳碳耦合机制，打破了传统的理解，即一氧化碳二聚生成C2+产物。

该研究不仅为设计高效的CO2电催化还原催化剂提供了新的策略，而且通过发现“氢辅助碳-碳偶联”的新机制，为调节C2+产物选择性提供了新的方法。”王业说。

应用程序还有很长的路要走。

该催化剂体系在一定程度上实现了“三高”，即高电流密度、高C2+选择性和高稳定性，整体性能显示出实际应用潜力。

研究人员认为，本研究中使用的气体扩散电极存在碱性条件下易泛溢和疏水性丧失的问题，碱性气体扩散电极的稳定性有待进一步提高。另外，研究主要集中在阴极CO2还原反应上，阳极H2O氧化效率仍然较低。需要耦合更有效的阳极催化剂来提高整个电池的能量利用效率。

大气中二氧化碳的浓度从19世纪末的280 ppm增加到目前的400 ppm。在减少排放的同时，迫切需要开发减少或利用二氧化碳的技术。“然而，为了实现工业化，需要解决催化剂的长期稳定性问题。此外，电催化过程的经济性如工程、CO2捕获成本、电力成本等。也需要考虑。工业化的道路还有很长的路要走。”王业说。

相关文件信息:DOI: 10.1038/S 41929-020-0450-0

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41929-020-0450-0