理大研发高效能电催化二氧化碳还原系统 助减碳排放 促进迈向碳中和

2024-01-23 14:28  来源:香港理工大学  浏览:  

全球暖化给人类社会和生态系统持续带来威胁,而主导气候变暖的温室气体中,占最主要比重的正是二氧化碳。为应对气候变化的问题和迈向促进碳中和的目标,香港理工大学(理大)的研究团队成功研发一套耐久、高选择性、高效的二氧化碳电还原系统,可以将二氧化碳转化成化学品原料乙烯,作其他工业用途,以为减低二氧化碳排放提供有效的解决方案。此研究成果已于国际科学期刊《Nature Energy》 发表,并于第 48 届瑞士日内瓦「国际发明展」获得金奖。

刘树平教授团队研发的电催化二氧化碳还原系统可以加速二氧化碳电催化技术的发展,有可能彻底改变现代化石燃料能源系统。

乙烯(C2H4)是其中一种需求量最大的化学品,主要应用于制造聚乙烯等聚合物,这些聚合物可以制造日常使用的塑胶、化纤等。生产乙烯目前仍然主要依赖石化资源,制造过程碳排放高。

由纳米材料讲座教授兼应用物理学系系主任刘树平教授领导的研究团队,采用电催化二氧化碳还原的方法,利用绿色的电能,令二氧化碳转化为乙烯,为生产乙烯提供另一更环保、更稳定供应的方法。研究团队正在大力推动这项新兴技术,令其可以更接近大规模生产,以促进碳循环和碳中和。

刘教授采用了创新的方法,弃用碱金属电解质,改用纯水作为不含金属的阳极电解液。研究团队设计的电催化二氧化碳还原 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 表示由此产生的薄膜组件。研究人员构建了一组含有无碱金属 APMA 和铜电催化剂的电池堆,产生出的乙烯具有50%的高特异性。这套设计还可以在 10 安培的工业级电流下运行超过 1,000 小时,使用寿命较现有系统大幅延长,意味着该系统可以轻松扩展至工业规模。

其他测试显示该系统能抑制碳酸根离子和盐沉淀的形成,而二氧化碳或电解质均未有流失。相对之下,旧有使用双极膜而不是 APMA 的电解池会因为碱金属离子从阳极电解液中扩散而令电解质流失,所以这点便特别重要。氢气与乙烯竞争形成是另一种在早期使用酸性阴极环境系统上出现的问题,这种情况在采用 APMA 后已被大大降低。

特制电催化剂是该系统的另一主要特征。众所周知,整个化学工业中均以铜用来催化各种反应。不过,理大团队的特制催化剂却善用了铜的某些特点。数以百万计的纳米级铜球纹理表面丰富,具有原子台阶、堆栈断层和晶界。相对于完美的金属结构,这些「缺陷」为反应提供了高能活性表面。

刘教授指:「研究团队已计划进一步改进系统,以提高产物选择性,并与工业界开展合作。APMA 电池设计能革新乙烯和其他有价值化学品的生产模式,迈向绿色生产,为减少碳排放和达至碳中和的目标作出贡献。」

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