摘要
The electrochemical conversion of carbon dioxide(CO_(2))has been attracting increasingly research interest in the past decade,with the ultimate goal of utilizing electricity from renewable energy to realize carbon neutrality,as well as economic and energy benefits.Nonetheless,the capture and concentrating of CO_(2) cost a substantial portion of energy,while almost all the reported researches showed CO_(2) electroreduction under high concentrations of(typically pure)CO_(2) reactants,and only very few recent studies have investigated the capability of applying low CO_(2) concentrations(such as~10%in flue gases).In this work,we first demonstrated the electroreduction of 0.03%CO_(2)(in helium)in a homemade gas‐phase electrochemical electrolyzer,using a low‐cost copper(Cu)or nanoscale copper(nano‐Cu)catalyst.Mixed with steam,the gas‐phase CO_(2) was directly delivered onto the gas‐solid interface with the Cu catalyst and reduced to CO,without the need/constraint of being adsorbed by aqueous solution or alkaline electrolytes.By tuning the catalyst and experi‐mental parameters,the conversion efficiency of CO_(2) reached as high as~95%.Furthermore,we demonstrated the direct electroreduction of 0.04%CO_(2) from real air sample with an optimized conversion efficiency of~79%,suggesting a promising perspective of the electroreduction ap‐proach toward direct CO_(2) conversion.
近十年来,电化学转化二氧化碳受到越来越多的关注和研究,其最终目标是利用可再生能源得到电能来实现碳中和,以及经济和能源效益.为实现这一目标,电还原二氧化碳不仅需要较高的选择性和转化率,也需要考虑其大规模应用的成本和经济价值.尽管近年空气中二氧化碳的浓度达到了历史最高值(415 ppm),但仍仅占了空气气体中较少的一部分.从空气中捕获和浓缩二氧化碳需要耗费大量的能量(~8.65 GJ/t),这不可避免地增加了工业成本和复杂性.另外在更负电位的二氧化碳还原反应下存在氧气(O_(2))还原竞争反应,也为二氧化碳电还原带来更大的挑战.因此,目前几乎所有研究报道的二氧化碳电还原体系都是使用高浓度(通常是纯的)二氧化碳作为反应物,只有少数几篇近期文献研究了低浓度二氧化碳(如~10%二氧化碳浓度的烟道气)的电还原性能.此外,在二氧化碳电还原中,中性或者碱性溶液常被用来作为电解液,而气体扩散电极通常用来提高二氧化碳的传质,但在这样的条件下,一部分二氧化碳不可避免地会与碱性或中性的电解液反应或者被吸收,大大降低还原效率.本文设计了一种气相电化学电解槽,并使用低成本的铜或纳米铜催化剂,实现电还原浓度为0.03%或0.04%的二氧化碳.在此过程中,气相二氧化碳与水蒸气混合并直接传递到铜催化剂表面,在气-固界面上被还原为一氧化碳,且在反应过程中二氧化碳不会被水溶液或碱性电解质吸收或发生反应.通过对催化剂和实验参数的调整,当反应气体为0.03%的二氧化碳,在气体流速为0.5 mL/min的条件下,二氧化碳的转化效率可高达95%.此外,本文还成功实现了直接电还原空气中的二氧化碳(0.04%的二氧化碳),由于铜催化剂的氧气还原活性极差,空气中较高浓度的氧气并不会对二氧化碳还原产生较大影响.因此,在空气流速为0.5 mL/min的条件�
基金
国家重点研究和发展项目(2018YFA0209401,2017YFA0206901)
国家自然科学基金(22025502,21975051,21773036)
上海市科学技术委员会资助项目(21DZ1206800,19XD1420400)
上海市教育委员会创新项目(2019-01-07-00-07-E00045).
