中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（通訊員 高雨桐 魏世蕾 記者 陳欣然）近日，南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院羅景山教授課題組在酸性膜電極電催化二氧化碳還原領(lǐng)域取得新進(jìn)展。團(tuán)隊提出采用多孔膜替代離子交換膜，在酸性條件下實(shí)現(xiàn)了高選擇性、長穩(wěn)定性的電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化，為二氧化碳資源化利用提供了新的解決方案。相關(guān)研究成果日前發(fā)表于《自然·通訊》。

二氧化碳是當(dāng)今最主要的溫室氣體。如何能將二氧化碳“變廢為寶”，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的關(guān)鍵。長期以來，零間隙膜電極二氧化碳電解槽因能量效率高和集成度高而被視為二氧化碳轉(zhuǎn)化利用的重要方向。然而，零間隙膜電極電解槽運(yùn)行過程中通常面臨析鹽、滲水及析氫副反應(yīng)等問題，穩(wěn)定性與碳利用率難以兼顧。

“就像日常生活中燒水壺結(jié)水垢一樣，電解槽中出現(xiàn)的‘水垢’容易堵塞管道、損壞設(shè)備，導(dǎo)致反應(yīng)很快中斷，非常不穩(wěn)定?！眻F(tuán)隊成員、電子信息與光學(xué)工程學(xué)院2022級博士生魏世蕾解釋道。

針對這一挑戰(zhàn)，團(tuán)隊提出更換核心“過濾部件”，采用多孔膜替代傳統(tǒng)離子交換膜，構(gòu)建酸性體系下的零間隙膜電極電解槽，選用合適孔徑與適當(dāng)親水性的多孔膜實(shí)現(xiàn)物質(zhì)傳輸平衡，從根本上改善反應(yīng)環(huán)境。這一設(shè)計有效抑制了析鹽與析氫副反應(yīng)，使系統(tǒng)在高電流密度下仍能保持優(yōu)異性能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在酸性電解液條件下，多孔膜電解槽在400 mA cm-2電流密度下的一氧化碳（CO）法拉第效率高達(dá)85%，而相同測試條件下離子交換膜系統(tǒng)的CO法拉第效率不足20%，說明多孔膜系統(tǒng)顯著優(yōu)于離子交換膜系統(tǒng)。同時，研究團(tuán)隊實(shí)現(xiàn)了連續(xù)運(yùn)行200小時的長期穩(wěn)定性測試，二氧化碳還原產(chǎn)物中CO比例接近100%，氫氣副產(chǎn)物極少，且未出現(xiàn)析鹽現(xiàn)象。在100 cm2大面積電解槽測試中，裝置依然能穩(wěn)定運(yùn)行超過120小時，二氧化碳還原產(chǎn)物中CO比例保持在約90%，充分驗(yàn)證了該技術(shù)的可擴(kuò)展性與工業(yè)應(yīng)用潛力。

“簡單來說，換上多孔膜之后，不僅不會結(jié)‘水垢’，而且還能在更大的設(shè)備中穩(wěn)定運(yùn)行，這意味著它有潛力進(jìn)行工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)?！蔽菏览僬f。

“這項成果為酸性膜電極二氧化碳還原電解槽提供了新的膜使用及設(shè)計策略，為未來實(shí)現(xiàn)高附加值碳基燃料與化學(xué)品的電合成奠定了基礎(chǔ)?！绷_景山表示，團(tuán)隊始終致力于解決二氧化碳轉(zhuǎn)化中的科學(xué)難題，未來將進(jìn)一步優(yōu)化電極界面設(shè)計，積極推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的二氧化碳電解技術(shù)向工業(yè)化轉(zhuǎn)化，為新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展貢獻(xiàn)南開力量。