夏宝玉教授团队用废旧电池将二氧化碳转化为燃料

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用废旧电池和温室气体能产生负负得正的效果吗？华中科技大学化学与化工学院夏宝玉教授团队做到了。他们利用回收的废旧电池将二氧化碳转化为具有高经济价值的甲酸，并打破多项世界纪录。1月31日，团队研究成果“质子交换膜系统中持久的CO2转化”（Durable CO2conversion in the proton-exchange membrane system）在《自然》刊发。
        在电解二氧化碳获得的二十余种产物中，甲酸具有显著的经济价值，在燃料电池、医药领域等都有广泛用途。高效获得高纯甲酸，不仅能够消耗二氧化碳，还能创造可观的经济效益。夏宝玉团队朝着这个研究方向，历时近五年，创建了质子交换膜二氧化碳电解系统，让甲酸的生成率超过93%，并能连续稳定运行5000小时以上，在多项指标上打破世界纪录。

        团队的研究数据为何能“遥遥领先”？与众多研究不同的是，团队采用酸性电解液完成了这一系统。当前电催化二氧化碳还原技术中，研究者使用的电解液大多呈碱性，相当一部分二氧化碳会被碱性电解液吸收并生成大量碳酸盐在电极表面沉积，大幅降低转化效率和寿命。“采用酸性电解液就能够极大提升转化效率。”这是团队创新提出的一项解决方案。“然而，许多催化剂不耐酸腐蚀，难以高效稳定地进行还原反应。”研究过程中，团队主要成员房文生不断尝试，巧妙地利用回收来的废旧电池获得了一种铅基耐酸腐蚀的二氧化碳还原电催化剂。全新的反应机理让二氧化碳在电解过程中只产生甲酸和少量氢气的同时，还实现了极高的转化效率。不仅如此，这种性能优越的催化剂还能够实现公斤级甚至吨级的量产，以满足工业化的需求。
        实际运行过程中团队又遇到了新的问题——电解系统的寿命远不能达到工业化应用需求。通过深入研究，团队发现阳极副产物会腐蚀系统中关键部件——质子交换膜，进而影响整个电解体系的性能与寿命。在能源化学领域多年的研究经验让夏宝玉产生了“以氢气替换水”的想法。这不仅有效避免了质子交换膜的腐蚀，大幅提高稳定性和使用寿命，还极大地减少了系统的耗电量，团队收获了意想不到的效果。解决种种困难后，团队对反应器件构造进行优化设计，最终实现了在3.6V槽压下20A电流的低能耗高效益电解反应，并能够连续运行5000小时以上。
        “这一技术具有可观的经济价值。”夏宝玉说。团队设计的二氧化碳电解反应器能在高效稳定运行的基础上实现面积与产量的40倍放大。按照当前市场成本估计，每电解产生1吨甲酸将获得244美元盈利，并有望实现工业化应用。
       文章来源：华中科技大学
        夏宝玉，华中科技大学教授，博士生导师。2010年毕业于上海交通大学大学，获工学博士学位。2011年至2016年在新加坡南洋理工大学能源研究所和化学与生物工程学院工作。主要从事结构功能材料的设计及其在能源、环境等领域应用的教学与研究工作，包括研发新型水电解池、燃料电池、金属空气电池以及二氧化碳转换等能源技术，并在新能源与新材料工程领域取得一系列创新性研究成果。近些年在国际学术期刊发表论文49篇，包括Nat. Energy 1篇，Nat. Commun. 1篇，J. Am. Chem. Soc. 3篇，Angew. Chem. Int. Ed. 6篇，Adv. Mater. 2篇，Energy Environ. Sci. 1篇等。发表论文包括2篇ESI热点论文 (hot paper) 、15篇ESI高被引论文、4篇封面论文、1篇VIP论文和2篇热点论文 (Angew. Chem.)，研究成果被ChemistryViews和MaterialsViews等多个国内外媒体报道。截止目前，论文被国内外同行引用超过2500余次，单篇最高被引用次数达到250次，单篇引用次数超过100次的有12篇，H指数25。2016年获RSC Top 10 Reviewers for J Mater Chem.