二氧化碳等溫室氣體過量排放，會導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇，進而產(chǎn)生一系列負面影響。含鉛、鋅等重金屬元素的電池廢棄后，如不妥善處理，也會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生毒害作用。
日前，華中科技大學(xué)教授夏寶玉團隊、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授姚濤團隊，以及新西蘭奧克蘭大學(xué)教授王子運團隊聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，將廢舊電池和溫室氣體結(jié)合起來，能產(chǎn)生“負負得正”的效果。聯(lián)合團隊使用回收的廢電池，將二氧化碳“加工”成具有較高經(jīng)濟價值的化工原料甲酸，實現(xiàn)變廢為寶。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然》。
“我們創(chuàng)建了質(zhì)子交換膜二氧化碳電解系統(tǒng)，讓甲酸的生成率超過93%，并能連續(xù)穩(wěn)定運行5000小時以上，在多項指標(biāo)上打破世界紀錄。”
論文通訊作者華中科技大學(xué)教授夏寶玉表示。
另辟蹊徑，變廢為寶 本文`內(nèi)-容-來-自；中_國_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om
“通過二氧化碳電解反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為高附加值燃料和化學(xué)品，是一條
綠色之路。”夏寶玉說。
資料顯示，二氧化碳電解是在催化劑的作用下，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為相關(guān)化學(xué)制品的技術(shù)。在諸多電解產(chǎn)物中，甲酸是一種重要的液體化學(xué)原料，在化工、能源、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。高效穩(wěn)定地獲得高純度甲酸，不僅消耗了二氧化碳、改善環(huán)境污染問題，還能緩解能源危機，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。
高效、穩(wěn)定、高純度，正是研究團隊面臨的挑戰(zhàn)。此前，雖然已有二氧化碳電解等方面的研究，但電解環(huán)境中各原材料相互“打架”、電解系統(tǒng)壽命短等仍是未解難題。
一次，在校園散步時，夏寶玉偶然看到一輛破舊的電動車。他當(dāng)即想到，市面上常見的電動車大多選用鋰電池或鉛酸電池供電，而鉛酸電池正是他在此前的研究中關(guān)注過的。
“什么物質(zhì)能在酸性條件下高效穩(wěn)定還原二氧化碳？鉛就是其中之一，但少有人研究。”夏寶玉介紹，“近些年，相關(guān)研究中使用的電解液大多呈堿性，這導(dǎo)致很多二氧化碳被堿性電解液吸收，在電極表面生成大量碳酸鹽沉淀，大幅降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率和壽命。”
針對這些難題，團隊創(chuàng)新性地使用酸性電解液、開發(fā)關(guān)鍵催化材料、設(shè)計膜電極系統(tǒng)，研發(fā)出新型質(zhì)子交換膜二氧化碳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，顯著提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性和二氧化碳轉(zhuǎn)化效率。
接力挑戰(zhàn)高難度課題 本*文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om
相關(guān)研究團隊在這個研究方向深耕了近5年。
“我2019年加入夏老師團隊，接觸到這個研究方向。”論文第一作者、華中科技大學(xué)博士生房文生回憶，“這是我研究生階段遇到的第一個課題。”
摸索一段時間后，房文生雖然有了一些知識儲備，但還遠遠不夠。“很多人覺得這個方向太難了，要做很多實驗、測大量的數(shù)據(jù)，我也有點兒想打退堂鼓。”他說。
出于這樣的考慮，他將這個課題暫時擱置。一年后，在夏寶玉的鼓勵下，房文生積累了更多“實戰(zhàn)”經(jīng)驗后，又將該課題“撿起來”繼續(xù)推進。
實驗過程中，團隊發(fā)現(xiàn)，在酸性較強的溶液中進行二氧化碳電解，催化劑通常會發(fā)生嚴重的析氫現(xiàn)象，同時也會加劇材料的腐蝕，難以高效穩(wěn)定地進行還原反應(yīng)，嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
“困難總是有的，需要一個個解決。”房文生說。
經(jīng)過不斷嘗試，結(jié)合鉛酸電池帶來的“啟發(fā)”，聯(lián)合團隊制備出鉛基耐酸腐蝕的二氧化碳還原電催化劑。這種催化劑可以顯著抑制酸性電解系統(tǒng)中的析氫現(xiàn)象，并將二氧化碳單一選擇性地轉(zhuǎn)化成甲酸，轉(zhuǎn)化效率超過93%。不僅如此，這種性能優(yōu)越的催化劑，還能實現(xiàn)公斤級甚至噸級的量產(chǎn)，以滿足工業(yè)化需求。
雖然實現(xiàn)了二氧化碳的高效轉(zhuǎn)化，但團隊并不滿足。“這只成功了一半，我們還要讓它長時間保持高效。”夏寶玉說，“穩(wěn)定的系統(tǒng)是保持高效狀態(tài)的重點。”
為響應(yīng)國家需求層層攻關(guān) 本文@內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放-交易&*網(wǎng)-tan pai fang . com
在解決系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的道路上，研究團隊發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件質(zhì)子交換膜常常會被破壞。
電池一般由電極、電解質(zhì)、隔膜等部分組成。其中，隔膜用于陰陽兩極間的離子交換。深入研究后團隊發(fā)現(xiàn)，由于電解質(zhì)中含有水，在反應(yīng)過程中，水經(jīng)過氧化產(chǎn)生的副產(chǎn)物——雙氧水會腐蝕質(zhì)子交換膜，進而影響整個電解體系的性能與壽命。
“原本平整光滑的一張膜，只運行了幾百個小時就被腐蝕得千瘡百孔，設(shè)備也不能正常運行了。”夏寶玉說，“我們想了很多辦法解決膜被破壞的問題。”
憑借在能源化學(xué)領(lǐng)域深耕多年的研究經(jīng)驗，夏寶玉產(chǎn)生了“以氫氣替換水”的想法，讓副產(chǎn)物不再產(chǎn)生。這不僅有效避免了質(zhì)子交換膜被腐蝕，大幅提高穩(wěn)定性和使用壽命，還極大減少了系統(tǒng)的耗電量，產(chǎn)生了意想不到的效果。
有了這一突破，后續(xù)的測試便可以穩(wěn)定進行。不過，由于測試儀器的限制，實驗還不能“自主”開展，到了測試時長的上限，需要刷新重置才能繼續(xù)。這就需要有人一直在旁邊盯守。
終于，在聯(lián)合團隊成員的共同努力與協(xié)同攻關(guān)下，穩(wěn)定性難題迎刃而解，團隊實現(xiàn)了系統(tǒng)低能耗高效率電解反應(yīng)，該反應(yīng)能連續(xù)運行5000小時以上，較業(yè)內(nèi)水平遙遙領(lǐng)先。
“通過這項技術(shù)，從二氧化碳到燃料、從燃料到二氧化碳、從二氧化碳再到燃料，我們構(gòu)建了一個人工的碳循環(huán)。”夏寶玉說，“我們所做的研究有助于解決廢舊電池處理這個老大難問題，有助于國家‘雙碳’戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)。”
來源：中國科學(xué)報
審核：余早早
責(zé)編：霍悅
編輯：胡娜?
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