二氧化碳等溫室氣體過(guò)量排放,會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇,進(jìn)而產(chǎn)生一系列負(fù)面影響。含鉛、鋅等重金屬元素的電池廢棄后,如不妥善處理,也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生毒害作用。
日前,華中科技大學(xué)教授夏寶玉團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授姚濤團(tuán)隊(duì),以及新西蘭奧克蘭大學(xué)教授王子運(yùn)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn),將廢舊電池和溫室氣體結(jié)合起來(lái),能產(chǎn)生“負(fù)負(fù)得正”的效果。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)使用回收的廢電池,將二氧化碳“加工”成具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化工原料甲酸,實(shí)現(xiàn)變廢為寶。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然》。
“我們創(chuàng)建了質(zhì)子交換膜二氧化碳電解系統(tǒng),讓甲酸的生成率超過(guò)93%,并能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行5000小時(shí)以上,在多項(xiàng)指標(biāo)上打破世界紀(jì)錄。”
論文通訊作者華中科技大學(xué)教授夏寶玉表示。
另辟蹊徑,變廢為寶 本文`內(nèi)-容-來(lái)-自;中_國(guó)_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om
“通過(guò)二氧化碳電解反應(yīng),將其轉(zhuǎn)化為高附加值燃料和化學(xué)品,是一條
綠色之路。”夏寶玉說(shuō)。
資料顯示,二氧化碳電解是在催化劑的作用下,將二氧化碳轉(zhuǎn)化為相關(guān)化學(xué)制品的技術(shù)。在諸多電解產(chǎn)物中,甲酸是一種重要的液體化學(xué)原料,在化工、能源、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。高效穩(wěn)定地獲得高純度甲酸,不僅消耗了二氧化碳、改善環(huán)境污染問(wèn)題,還能緩解能源危機(jī),創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
高效、穩(wěn)定、高純度,正是研究團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)。此前,雖然已有二氧化碳電解等方面的研究,但電解環(huán)境中各原材料相互“打架”、電解系統(tǒng)壽命短等仍是未解難題。
一次,在校園散步時(shí),夏寶玉偶然看到一輛破舊的電動(dòng)車。他當(dāng)即想到,市面上常見的電動(dòng)車大多選用鋰電池或鉛酸電池供電,而鉛酸電池正是他在此前的研究中關(guān)注過(guò)的。
“什么物質(zhì)能在酸性條件下高效穩(wěn)定還原二氧化碳?鉛就是其中之一,但少有人研究。”夏寶玉介紹,“近些年,相關(guān)研究中使用的電解液大多呈堿性,這導(dǎo)致很多二氧化碳被堿性電解液吸收,在電極表面生成大量碳酸鹽沉淀,大幅降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率和壽命。”
針對(duì)這些難題,團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地使用酸性電解液、開發(fā)關(guān)鍵催化材料、設(shè)計(jì)膜電極系統(tǒng),研發(fā)出新型質(zhì)子交換膜二氧化碳轉(zhuǎn)化系統(tǒng),顯著提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性和二氧化碳轉(zhuǎn)化效率。
接力挑戰(zhàn)高難度課題 本*文@內(nèi)-容-來(lái)-自;中_國(guó)_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om
相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)在這個(gè)研究方向深耕了近5年。
“我2019年加入夏老師團(tuán)隊(duì),接觸到這個(gè)研究方向。”論文第一作者、華中科技大學(xué)博士生房文生回憶,“這是我研究生階段遇到的第一個(gè)課題。”
摸索一段時(shí)間后,房文生雖然有了一些知識(shí)儲(chǔ)備,但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。“很多人覺得這個(gè)方向太難了,要做很多實(shí)驗(yàn)、測(cè)大量的數(shù)據(jù),我也有點(diǎn)兒想打退堂鼓。”他說(shuō)。
出于這樣的考慮,他將這個(gè)課題暫時(shí)擱置。一年后,在夏寶玉的鼓勵(lì)下,房文生積累了更多“實(shí)戰(zhàn)”經(jīng)驗(yàn)后,又將該課題“撿起來(lái)”繼續(xù)推進(jìn)。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),在酸性較強(qiáng)的溶液中進(jìn)行二氧化碳電解,催化劑通常會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的析氫現(xiàn)象,同時(shí)也會(huì)加劇材料的腐蝕,難以高效穩(wěn)定地進(jìn)行還原反應(yīng),嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
“困難總是有的,需要一個(gè)個(gè)解決。”房文生說(shuō)。
經(jīng)過(guò)不斷嘗試,結(jié)合鉛酸電池帶來(lái)的“啟發(fā)”,聯(lián)合團(tuán)隊(duì)制備出鉛基耐酸腐蝕的二氧化碳還原電催化劑。這種催化劑可以顯著抑制酸性電解系統(tǒng)中的析氫現(xiàn)象,并將二氧化碳單一選擇性地轉(zhuǎn)化成甲酸,轉(zhuǎn)化效率超過(guò)93%。不僅如此,這種性能優(yōu)越的催化劑,還能實(shí)現(xiàn)公斤級(jí)甚至噸級(jí)的量產(chǎn),以滿足工業(yè)化需求。
雖然實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的高效轉(zhuǎn)化,但團(tuán)隊(duì)并不滿足。“這只成功了一半,我們還要讓它長(zhǎng)時(shí)間保持高效。”夏寶玉說(shuō),“穩(wěn)定的系統(tǒng)是保持高效狀態(tài)的重點(diǎn)。”
為響應(yīng)國(guó)家需求層層攻關(guān) 本文@內(nèi)/容/來(lái)/自:中-國(guó)-碳^排-放-交易&*網(wǎng)-tan pai fang . com
在解決系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題的道路上,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件質(zhì)子交換膜常常會(huì)被破壞。
電池一般由電極、電解質(zhì)、隔膜等部分組成。其中,隔膜用于陰陽(yáng)兩極間的離子交換。深入研究后團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),由于電解質(zhì)中含有水,在反應(yīng)過(guò)程中,水經(jīng)過(guò)氧化產(chǎn)生的副產(chǎn)物——雙氧水會(huì)腐蝕質(zhì)子交換膜,進(jìn)而影響整個(gè)電解體系的性能與壽命。
“原本平整光滑的一張膜,只運(yùn)行了幾百個(gè)小時(shí)就被腐蝕得千瘡百孔,設(shè)備也不能正常運(yùn)行了。”夏寶玉說(shuō),“我們想了很多辦法解決膜被破壞的問(wèn)題。”
憑借在能源化學(xué)領(lǐng)域深耕多年的研究經(jīng)驗(yàn),夏寶玉產(chǎn)生了“以氫氣替換水”的想法,讓副產(chǎn)物不再產(chǎn)生。這不僅有效避免了質(zhì)子交換膜被腐蝕,大幅提高穩(wěn)定性和使用壽命,還極大減少了系統(tǒng)的耗電量,產(chǎn)生了意想不到的效果。
有了這一突破,后續(xù)的測(cè)試便可以穩(wěn)定進(jìn)行。不過(guò),由于測(cè)試儀器的限制,實(shí)驗(yàn)還不能“自主”開展,到了測(cè)試時(shí)長(zhǎng)的上限,需要刷新重置才能繼續(xù)。這就需要有人一直在旁邊盯守。
終于,在聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成員的共同努力與協(xié)同攻關(guān)下,穩(wěn)定性難題迎刃而解,團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)低能耗高效率電解反應(yīng),該反應(yīng)能連續(xù)運(yùn)行5000小時(shí)以上,較業(yè)內(nèi)水平遙遙領(lǐng)先。
“通過(guò)這項(xiàng)技術(shù),從二氧化碳到燃料、從燃料到二氧化碳、從二氧化碳再到燃料,我們構(gòu)建了一個(gè)人工的碳循環(huán)。”夏寶玉說(shuō),“我們所做的研究有助于解決廢舊電池處理這個(gè)老大難問(wèn)題,有助于國(guó)家‘雙碳’戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。”
來(lái)源:中國(guó)科學(xué)報(bào)
審核:余早早
責(zé)編:霍悅
編輯:胡娜?
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