构建高效稳定的低温反向偏置双极膜电解槽用于二氧化碳还原  

Construction of efficient and stable low-temperature reverse-bias bipolar membrane electrolyser for CO_(2) reduction

作　　者：谢逸 徐湛友 卢千 王莹 Yi Xie;Zhanyou Xu;Qian Lu;Ying Wang(Department of Chemistry,The Chinese University of Hong Kong,Shatin,New Territories,Hong Kong,China;Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology,Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring and Pollution Control,UNIST-NUIST Environment and Energy Jointed Laboratory,School of Environmental Science and Technology,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,Jiangsu,China)

机构地区：[1]香港中文大学化学系,中国香港新界 [2]江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室,UNIST-NUIST中韩能源与环境联合实验室,南京信息工程大学环境科学与工程学院,江苏南京210044

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2024年第4期82-96,共15页催化学报（英文）

基　　金：优秀青年科学基金项目(港澳)(22222208);香港特别行政区研究资助(14305323)。

摘　　要：二氧化碳电化学还原为高附加值的化学品和原料是一种具有应用前景的负碳技术.在过去十几年里,研究人员在碱性和中性电解质中进行了大量的二氧化碳电还原研究,并在活性、选择性和稳定性方面取得了很多进展.然而,二氧化碳与碱性电解液反应生成碳酸盐,导致碳利用率较低(远低于产业化应用要求).因此,未来二氧化碳电还原领域面临的关键挑战是如何有效提高碳利用率.为解决这一挑战,在酸性电解质中进行二氧化碳电还原成为了一个可行的方案,它可以有效避免“碳酸盐问题”的发生.而基于双极膜的二氧化碳电解槽技术,则允许阴/阳极在不同pH的电解质中运行,是提高碳利用率的有效方案之一.本文首先介绍了双极膜的运行模式、热力学过程、物质传输现象、水解离/合成过程以及极限电流密度的起源,并总结了近期在双极膜优化方面取得的进展.然后,进一步聚焦于双极膜在常用的三类高效二氧化碳电解槽(流通池电解槽、膜电极电解槽和固态电解质电解槽)中的应用,详细探讨了其研究进展及所面临的挑战,并强调了针对不同结构电解槽的优化策略.值得一提的是,基于反向偏置双极膜的电解槽设计在促进质子传输至阴极、抑制碳酸盐形成方面表现出显著优势,进而有效提高了碳利用率.然而,大的质子通量同时也促进了竞争性的析氢反应,这在一定程度上抑制了二氧化碳转化为多碳产物.为了解决这一问题,流通池电解槽中的阴极电解液可以被用作缓冲层,通过调节阴极液的组成和厚度,实现电极表面在较高的pH下进行二氧化碳电还原,同时本体电解液维持在酸性,从而促进生成的碳酸盐再生为二氧化碳.另一方面,膜电极电解槽,又称零间隙电解槽,其设计特点在于催化剂层和膜直接接触,这种结构降低了电解液引起的电压损耗,提高了电解效率.然而,这种紧Electrochemical conversion of CO_(2) and H2O to value-added products is an attractive approach for sustainable chemical production.Significant progress has been made in the past few decades in improving activity and selectivity,advancing this technology to practical application.Considering the next step for the electrochemical CO_(2) reduction reaction,improving carbon utilisation efficiency,stability,and energy efficiency are essential.Bipolar membrane(BPM)-based electrolysers,which allow electrodes to be operated under different pH,are advantageous to tackle the challenge mentioned above.Herein,we introduced the current status of CO_(2) electrolysers,followed by configuration,challenges,progress and outlook for combining reverse-bias BPM with different types of electrolysers.Our aim is to provide insight into developing carbon-efficient and energy-efficient CO_(2)RR systems towards practical application.

关 键 词：二氧化碳还原 电催化 双极膜 碳利用率 能量效率 

分 类 号：TQ426[化学工程] X701[环境科学与工程—环境工程]