CO_(2)电催化转化迈向大规模化的挑战与展望

Electrocatalytic CO_(2) conversion toward large‐scale deployment

全球CO_(2)排放量持续增长,冲击全球能源格局.CO_(2)电催化转化为高值化学品与液体燃料是实现绿色化工和降低碳排放的有效途径.针对催化剂和电解器的实验室研究为CO_(2)大规模电解奠定了基础.然而具有实用价值的全电解池CO_(2)电解,在工业级电流密度下的CO_(2)转化率、反应活性与稳定性仍较低.电极面积和数量的放大研究发现,由于电场、流场等的复杂多场耦合引起的放大效应,使得反应寿命、能耗等反应性能下降.本文综述了面向CO_(2)规模化电解的关键多尺度研究内容,聚焦实现CO_(2)高效转化的重要挑战和前沿研究进展,并展望了助力实现CO_(2)商业化应用的发展方向.基于聚合物电解质膜并以水作为质子源的低温CO_(2)电解路线是具有工业化应用前景的反应路线之一,能用于制备CO、甲酸、乙烯、乙醇等C1-C3化合物,是当前研究重点.膜电极(MEA)电解器容易在电极面积和数量上扩展,是有望实现大规模部署的CO_(2)电解装置.目前低温CO_(2)电解技术研究主要集中于从微观到宏观尺度优化整个电解体系,包括催化剂活性位点调控、气体-电极-电解质界面构建、全电解池组件优化与电堆放大设计.虽然CO_(2)电解在多种尺度上的研究已取得了重要进展,然而受限于反应的复杂性,仍有许多瓶颈难以突破:(1)对于催化剂设计,获得具有较高单一C2+产物选择性、稳定性以及活性的催化剂仍然比较困难,乙烯、乙醇仅能在<300 m Acm^(–2)的电流密度下实现>70%的选择性,且反应稳定性不超过200 h;(2)在稳定性测试条件下,目前在>200 m Acm^(–2)的电流密度下全电解池能量转化效率不超过50%,特别是以C2+为目标产物时大多<30%;(3)仅有CO产物能在较小的反应面积(<10 cm^(2),大多为1cm^(2))下保持>90%的选择性稳定并运行1000 h以上,虽然对大面积反应器结构/配置进行了优化,但是全电池电解系统稳定运行时间仍会随着电极面积的增大而快速衰减,因此对现有CO_(2)电解系统的有效反应面积扩大多个数量级,组装成电堆还存在较大困难;(4)对于CO_(2)电还原反应,反应条件影响催化剂结构与状态,当前催化剂表征条件与真实反应条件并不一致,且难以在MEA电解器中开展各种空间尺度与时间尺度的工况表征,限制了对反应过程中催化剂结构的获取和反应机理的有效研究.针对CO_(2)电解的大规模应用,未来研究应聚焦以下方面:(1)设计新型电解器和反应模式,以匹配不同产物需求,降低产物分离成本,提高稳定性、转化率和能量转化效率;(2)探索新反应,包括阳极析氧反应的替代反应和阴极CO_(2)与有机物的共还原反应,并结合多种反应过程合成高价值产物,提高过程经济性;(3)发展MEA电解器中工况条件下的实时表征新技术,并建立诊断电解系统稳定性与活性衰减的方法.总之,当前的CO_(2)电催化技术仍处于快速发展阶段,需要系统性地解决不同尺度下存在的关键科学和技术问题,特别是反应稳定性和过程经济性的突破,将使得CO_(2)电解快速迈向大规模应用.

The electrocatalytic conversion of CO_(2) into chemicals and liquid fuels,powered by renewable energy sources,is expected to reach commercial applications.This comment outlines the research directions that focus on advancing practical deployment of CO_(2) electrolysis.Furthermore,the bottlenecks that limit the high-efficiency conversion of CO_(2) and promising approaches to overcome them are discussed.