研究人员开发高效二氧化碳电还原系统以减少碳足迹

全球变暖持续对人类社会和生态系统构成威胁，而二氧化碳在主导气候变暖的温室气体中所占比例最大。

为应对气候变化并迈向碳中和的目标，香港理工大学(理大)的研究人员开发了一种耐用、高选择性和节能的二氧化碳(CO 2)电还原系统，可以将CO 2转化为乙烯工业目的为减少CO 2排放提供有效的解决方案。

该研究发表在《自然能源》杂志上，并在瑞士第48届日内瓦国际发明展上获得金奖。

乙烯 (C 2 H 4 ) 是全球需求量最大的化学品之一，主要用于制造聚乙烯等聚合物，而聚乙烯又可用于制造日常生活中常用的塑料和化学纤维。然而，它仍然主要是从石化来源获得的，并且生产过程会产生非常显着的碳足迹。

纳米材料讲座教授兼应用物理系系主任刘丹尼尔教授带领的研究团队采用电催化CO 2还原方法，利用绿色电力将二氧化碳转化为乙烯，提供了一种更环保的替代方案。乙烯产量稳定。

研究团队正致力于推广这一新兴技术，使其更接近大规模生产，形成碳闭环，最终实现碳中和。

刘教授的创新是省去碱金属电解液，并使用纯水作为不含金属的阳极电解液，以防止碳酸盐形成和盐沉积。研究团队将他们的设计称为APMA系统，其中A代表阴离子交换膜(AEM)，P代表质子交换膜(PEM)，MA代表最终的膜组件。

当构建含有 APMA 和铜电催化剂的无碱金属电池堆时，它以 50% 的高特异性生产乙烯。它还能够在 10A 的工业级电流下运行超过 1,000 小时，与现有系统相比，使用寿命显着延长，这意味着该系统可以轻松扩展到工业规模。

进一步的测试表明，碳酸盐和盐的形成受到抑制，同时没有CO 2或电解质的损失。这一点至关重要，因为以前使用双极膜而不是 APMA 的电池会因阳极电解液中碱金属离子的扩散而导致电解液损失。与乙烯竞争的氢气的形成是影响早期使用酸性阴极环境的系统的另一个问题，也被最小化。

该过程的另一个关键特征是专用的电催化剂。铜用于催化化学工业中的各种反应。然而，研究小组使用的特定催化剂利用了一些独特的特征。

数以百万计的纳米级铜球具有丰富的纹理表面，具有台阶、堆垛层错和晶界。这些“缺陷”——相对于理想的金属结构——为反应的进行提供了有利的环境。

刘教授表示：“我们将致力于进一步改进，以提高产品选择性，并寻求与业界的合作机会。很明显，这种 APMA 电池设计支持乙烯和其他有价值化学品的绿色生产过渡，并有助于减少碳排放，实现碳中和的目标。”