電解還原二氧化碳技術(shù)的研究進(jìn)展

單明禮

【摘要】將溫室氣體二氧化碳電解還原為有用的化學(xué)產(chǎn)物，不但可以有效減少目前困擾全球的溫室效應(yīng)，而且可以變廢為寶，實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用。目前電解還原二氧化碳技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但是仍然存在著很多問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】二氧化碳 電解還原 化學(xué)產(chǎn)物

1電解還原二氧化碳技術(shù)簡(jiǎn)介

目前，減少空氣中二氧化碳含量的方法主要有四大類：（1）提高能源的利用率；（2）開(kāi)發(fā)低碳新能源體系，例如太陽(yáng)能、風(fēng)能和核能等；（3）捕獲收集大氣中的二氧化碳并對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)學(xué)意義上的隔離；（4）開(kāi)發(fā)利用二氧化碳，將其轉(zhuǎn)化成有用的化學(xué)產(chǎn)品?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化往往需要很高的能量進(jìn)行推動(dòng)，因此，開(kāi)發(fā)利用二氧化碳最大的困難來(lái)自于它與生俱來(lái)的穩(wěn)定性。開(kāi)發(fā)利用二氧化碳的關(guān)鍵點(diǎn)有兩個(gè)，即用最少的能量推動(dòng)使其完成轉(zhuǎn)化并且在該過(guò)程中沒(méi)有新的二氧化碳產(chǎn)生。

在眾多的轉(zhuǎn)化二氧化碳的方法中，電解還原二氧化碳法（ERC）優(yōu)勢(shì)明顯，特別是以下幾點(diǎn)值得注意：（1）電解還原二氧化碳在常溫下即可進(jìn)行，電解組件可以循環(huán)利用。（2）將再生能源作為電能來(lái)驅(qū)動(dòng)二氧化碳的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過(guò)程中沒(méi)有新的二氧化碳的產(chǎn)生。因此，該方法也可以看做是一種再生能源的儲(chǔ)存途徑。（3）可以通過(guò)調(diào)節(jié)催化劑、電解質(zhì)和反應(yīng)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)電解還原二氧化碳的反應(yīng)進(jìn)行控制，得到我們的目標(biāo)產(chǎn)物。未來(lái)ERC技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展將主要依賴于新型電化學(xué)設(shè)備上的技術(shù)進(jìn)步。

目前，ERC技術(shù)討淪的主要方面集中在轉(zhuǎn)化效率和經(jīng)濟(jì)性，主要的攻關(guān)技術(shù)為提高電解池核心組件的性能。同時(shí)，人們也認(rèn)識(shí)到ERC的反應(yīng)方式和反應(yīng)路徑根據(jù)條件不同而不同，轉(zhuǎn)化成的化學(xué)品也種類繁多，包括一氧化碳、甲酸、草酸、甲醛、甲醇、甲烷、乙烯、乙醇及一些其它的重要的化工產(chǎn)品（丙酮、羥丙酮、丙醇等）。近年來(lái)，廣泛而深入的研究集中在了電解還原二氧化碳反應(yīng)的金屬催化劑上，目前應(yīng)用較為廣泛的有金屬箔片催化體系、金屬納米粒子催化體系和有機(jī)金屬?gòu)?fù)合物催化體系。ERC技術(shù)中的關(guān)鍵點(diǎn)需要特別注意，例如反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)速率、涉及的熱力學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)，以及與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)電位。ERC反應(yīng)非常復(fù)雜，其反應(yīng)產(chǎn)物通常是不可控的，而且反應(yīng)產(chǎn)物也不是單一的產(chǎn)品，而是多種產(chǎn)品的混合物。因此，ERC技術(shù)的最大挑戰(zhàn)還是其實(shí)際應(yīng)用并不理想，需要研發(fā)新型的催化劑和電解組件，以降低其生產(chǎn)成本，并有效的提高其電解效率和穩(wěn)定性。

2 二氧化碳光電解還原

在眾多的二氧化碳還原技術(shù)中，光電解還原二氧化碳技術(shù)因其環(huán)保性越來(lái)越引起人們的關(guān)注。在2012年，Panasonic發(fā)明了一種人工光合作用系統(tǒng)將二氧化碳轉(zhuǎn)化成了甲酸，且傳化率達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的0.2%。該技術(shù)的核心內(nèi)容為鎵合金光電陽(yáng)極來(lái)驅(qū)動(dòng)錮合金的光電陰極。該轉(zhuǎn)化效率與植物在光合作用中二氧化碳的轉(zhuǎn)化效率是具有可比性的。該系統(tǒng)的關(guān)鍵特征是含氮半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，讓設(shè)備的運(yùn)行更加簡(jiǎn)單有效。在這之前，人工光合作用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，常用的器件主要為有機(jī)復(fù)合物和多光電極，對(duì)光源的響應(yīng)效率很低。Panasonic的人工光合作用系統(tǒng)不但簡(jiǎn)單高效，而且可以對(duì)太陽(yáng)光或聚焦光直接利用。含氮半導(dǎo)體器件在光電轉(zhuǎn)化及能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域的優(yōu)異表現(xiàn)越來(lái)越引起人們的注意，其潛在的應(yīng)用范圍甚至超過(guò)了傳統(tǒng)上的其他固體設(shè)備。更值得一提的是，它能夠用作光電極來(lái)還原二氧化碳。如果將含氮半導(dǎo)體經(jīng)制片過(guò)程將其結(jié)構(gòu)化，做成薄片電極，其性能將更加突出。此時(shí)，在ERC技術(shù)中，二氧化碳的還原反應(yīng)將發(fā)生在與半導(dǎo)體電極相對(duì)位置上的金屬電極上。金屬催化電極在反應(yīng)加速的選擇性上扮演者重要角色。

光電化學(xué)體系的另一個(gè)研究方向是用光伏發(fā)電作為能源驅(qū)動(dòng)以金屬為電極的電解池。在2014年Bocaorsly的研究團(tuán)隊(duì)以多晶硅光伏發(fā)電為能源來(lái)驅(qū)動(dòng)以錮合金為陰電極的電化學(xué)轉(zhuǎn)化體系，并以二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲酸為例研究了其轉(zhuǎn)化率。獨(dú)立的光伏發(fā)電體系與光電化學(xué)單元的結(jié)合讓復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)得以實(shí)施，包括二氧化碳的多電子還原反應(yīng)。

溫室效應(yīng)逐年加重，其引起的環(huán)境變化和氣候異常對(duì)人們的生活和財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅，減少溫室氣體排放已成為全球共識(shí)。因此，二氧化碳的電解還原不但有助于減少溫室效應(yīng)，還能變廢為寶，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，其應(yīng)用前景一片光明。

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