颠覆性技术：电化学装置降低碳捕获成本

刚刚，《Nature》刊登了汪淏田教授课题组的最新研究成果。接下来，小编将先介绍汪淏田教授的学术背景，随后引领读者详细了解他们最新的研究成果。

学术背景简介

汪淏田教授于2011年本科毕业于中国科学技术大学物理系，后赴美国斯坦福大学完成应用物理系博士学位（导师是崔屹教授），在博士期间，汪淏田研究出了一种独特的系统性“电化学调控”方法，可有效提高水分解和燃料电池催化剂的催化性能。博士毕业之后，他从两三百位极其优秀的申请者中脱颖而出，跳过了博士后阶段，直接进入哈佛大学罗兰研究所担任研究员，正式开启了自己的独立研究生涯。两年之后，他又进入莱斯大学化学与生物分子工程系任教。这期间，他不负众望，取得了非常傲人的成绩。而他所开发出的技术，提出“绿色化工”：利用太阳能、风能等清洁电能，将工厂所排放的二氧化碳温室气体，转化为基础化工产品，包括一氧化碳、乙烯，高纯度的乙醇、甲酸液体燃料等。

课题组专注于发展新型电化学催化剂、电化学催化发生器，研究不同催化反应在能源、环境领域中的实际应用。课题组已在Nature, Science, Nature Energy, Nature Catalysis, Chem, Joule 等顶尖杂志上发表论文80余篇，已连续多年入选全球高被引学者。担任Nano Letters早期职业生涯顾问委员会。荣获奖项包括加拿大高等研究院全球学者，韦尔奇基金会研究奖，35岁以下科技创新35人。

文章解读

从工业废气到从大气中捕获稀薄的二氧化碳，在管理全球二氧化碳排放和促进下游的二氧化碳储存和使用方面发挥着越来越重要的作用。现有的碳捕捉技术通常依赖于能源密集型的集中热循环过程。以可再生电力为能源输入的电化学碳捕捉技术在碳管理方面很有前景，但仍然受到捕获率低、氧气敏感性或系统复杂性低等问题的影响。

在这里，莱斯大学汪淏田教授课题组通过将耦合氧气/水氧化还原反应与多孔固体电解质反应器结合起来，展示了一种连续的电化学碳捕获设计。通过进行氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）的氧化还原电解，此装置可以在高碱性的阴极-膜界面有效地吸收稀薄的二氧化碳分子，形成碳酸盐离子，然后通过阳极的质子通量进行中和，从中间的固体电解质层连续输出高纯度（>99%）的CO2流。在整个碳吸收/释放过程中，不需要任何化学投入，也不产生副产品。碳捕获固体电解质反应器中具有较的高碳捕获率、高法拉第效率（基于碳酸盐>90%）、模拟烟气中的高碳清除效率（>98%）和低能耗（从大约150 kJ/mol CO2开始）。相关成果以“Continuous carbon capture in an electrochemical solid-electrolyte reactor”为题发表在《Nature》上，第一作者为朱鹏，吴振禹为共同一作。

朱鹏和汪淏田教授

图1 固体电解质反应器设计用于从不同二氧化碳源中捕获碳

验证概念

在二氧化碳浓度为13.9%的情况下，二氧化碳捕获率随着ORR电流密度从10到500mA cm-2几乎呈线性增长。通过估计二氧化碳捕获率作为ORR电流的函数的斜率，作者发现，每两个电子转移期间产生两个OH-离子，就有一个二氧化碳分子被捕获，这表明二氧化碳的交叉主要是通过碳酸根离子而不是碳酸氢根离子。这一结论得到了与理论准则完全匹配的二氧化碳捕获率的支持。在13.9%的二氧化碳条件下，碳酸盐法拉达效率在广泛的细胞电流范围内保持在90%以上，这表明生成的OH-离子的利用效率很高。

为了进一步测试作者的固体电解质装置的碳捕获能力和适应性，作者在评估电池性能时将进料的二氧化碳水平降低到6,200和2,950 ppm。如图2g所示，在1-10 mA cm-2的电流范围内，二氧化碳捕获效率保持在80%以上，但当达到20-30 mA cm-2时，迅速下降到约50-60%。这种FE的下降是因为在这种低浓度条件下二氧化碳气体的质量转移极限，当输入的二氧化碳浓度进一步降低到2950ppm时，这种情况变得更加突出（图2h）。在这种情况下，在10 mA cm-2的电流下，碳酸盐的FE下降到大约55%，而在6,200 ppm的情况下为90%。观察到的FE趋势意味着碳捕捉电池的工作电流可以调整，以适应不同的应用场景，这取决于输入的二氧化碳浓度，同时仍然保持高电子效率。

图2 使用标准 Pt/C 和 IrO2 催化剂在作者的固体电解质反应器中进行碳捕获的概念验证和性能评估

不同ORR催化剂的影响

作者使用Co-SAC作为代表性的ORR催化剂来研究与Pt/C相比可能存在的这些优势。透射电子显微镜（TEM）和其他表征工具表明，Co-SAC从SiO2纳米颗粒模板反向模板化，形成了相互连接的三维多孔结构（图3a）。X射线吸收光谱（XAS）证实了Co的原子分散性，如图3b,c所示，在光谱中只观察到Co-N配位，没有Co-Co相互作用。

作者首先评估了作者的Co-SAC在标准的13.9%二氧化碳浓度下的碳捕获性能。与Pt/C催化剂相比，I-V曲线显示了类似的催化活性和碳酸盐的FE（图3d和），表明用富土材料替代Pt/C贵金属催化剂是可行的。如图3e所示，Co-SAC在20 mA cm-2之前保持了80%以上的高FE，在此情况下，Pt/C的对应物只达到大约60%的FE。在20 mA cm-2下，Co-SAC的碳捕获率为0.12 ml min-1 cm-2，表明与Pt/C相比有30%以上的改进。在30 mA cm-2下，改善率进一步提高到50%左右。作者的Co-SAC可以提供40 mA m-2的电流密度，60%的FE和0.18 ml min-1 cm-2或4.8 kgCO2 day-1 m-2的碳捕获率，这表明考虑到这种低CO2浓度的来源，具有高效的碳捕获。

图 3：使用 Co-SAC 进行碳捕获评估

提高捕获效应的方法

作者认为，仍有很大的空间来进一步提高碳捕获的能量效率（图4a），并提出了几个潜在的策略作为未来改进的例子。首先，固体电解质层的厚度还没有被优化，以达到更小的欧姆降和更好的电池电压。其次，通过形成不同类型的阴离子可以提高碳交叉效率。通过上述改进可以将碳捕获成本降至每吨约33美元。

图4 提高碳捕获能源效率的可能方法

小结

作者利用固体电解质反应器建立了一个多功能的碳捕获平台，将来可以在许多实际场景中实施。值得注意的是，许多电化学氧化还原对，如HER/HOR，呈现出比在这项工作中展示的OER/ORR对更好的反应动力学和更低的过电位，这可以大大降低电池的运行电压，提高碳捕获效率。各种电池和操作参数，如固体电解质层的厚度、操作温度和压力、氧化还原对催化剂的改进和反应途径的调整，可以作为未来的研究方向进一步优化，以提高碳捕获的能源效率和实际部署的成本。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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