Perspective|中空纤维气体透散电极高效生产可再生合成燃料

    近日，以中国科学院上海高等研究院陈为研究员、魏伟研究员为通讯作者的文章（Perspective）: Hollow-fiber gas penetration electrodes efficiently produce renewable synthetic fuels 已在线发表。本文有三个亮点: 首次定义了中空纤维“气体透散电极（GPE）”；开发的中空纤维气体透散电极实现了在安培级电流密度下高效、稳定电还原CO₂合成可再生燃料；将单根中空纤维扩展到中空纤维电极阵列，再匹配优化相应的电极排布和电解池布局，可以扩大CO₂电还原合成可再生燃料的规模。

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# 文章主要内容 #

    中国政府提出碳达峰、碳中和的宏伟目标，是极具挑战性的任务，对世界的贡献是巨大的。作为一种战略支撑，发展新型绿色低碳能源产业迫切需要颠覆性和变革性能源技术。

    利用间歇性可再生电力将CO₂转化为燃料是一种新的变革性能源负碳技术，它不仅可以通过以CO₂作为原料减少CO₂排放，还可以将可再生能源转换为高能量密度燃料的形式加以储存。在可再生电力的驱动下，CO₂可以被转化为各种合成燃料，如CO、HCOOH、CH₃OH、C₂H₅OH, C₂H₄。这些可再生合成燃料可以直接为交通提供动力，也可以通过费托合成生产其他燃料，以减少我们对化石燃料的依赖，且释放的二氧化碳可以被循环利用，形成碳中和循环。

图1. 可再生能源驱动电催化CO₂还原生产可再生合成燃料的碳循环路线图

    与苛刻条件下的热催化相比，电催化CO₂还原可以在常温常压下进行，对能源需求和设备要求较低，这使其在实际应用中具有显著优势和可行性。尽管CO₂电还原目前已经取得了重要进展，但CO₂低溶解度和较长传质距离阻碍了CO₂传输，导致电流密度非常有限，只有几十mA/cm²，远远低于工业应用的要求。解决这一问题的一种策略是在用超疏水聚四氟乙烯和导电碳颗粒装饰的微孔层上涂覆高活性催化剂，从而构建气体扩散电极(GDE)。这种气体扩散电极与流动池或膜电极组件集成，可以促进CO₂快速扩散到活性位点，从而使反应能在工业规模的电流密度(≥200 mA/cm²)下运行。然而，在这个体系中，CO₂不可避免地与OH⁻发生反应，生成碳酸盐/碳酸氢盐，从而堵塞传质通道，而气体扩散电极也必须提供足够的疏水性来防止水淹。此外，在长期电解过程中，聚合物粘合剂可能会老化和松动，从而降低稳定性和性能。所有这些缺陷限制了气体扩散电极体系在工业应用中的潜力。因此，设计和构建一种新型功能电极结构对于在工业级电流密度下实现CO₂电还原的优良选择性和稳定性至关重要。

    一种结构紧凑的三维中空纤维多孔材料可作为无需任何添加剂的自支撑电极，仅由单一活性组分组成，具有丰富的表面积和可调节的孔结构，其丰富的多孔结构为CO₂电还原反应提供了方便的传质通道。在密封中空纤维末端的情况下，气态CO₂被迫穿透多孔中空纤维壁，与催化活性位点和电解质均良好接触，促进气-催化剂-液三相界面电还原CO₂。这种类型的电极结构我们定义为“气体透散电极(GPE)”，凭借其大大增强的传质能力，在工业应用中显示出巨大的CO₂电还原潜力。

    本课题组采用相转化/烧结法制备了铜中空纤维气体透散电极，在210 mA/cm²的高电流密度下，电还原CO₂稳定合成甲酸，产率分别约为泡沫铜和铜箔的16倍和30倍；制备了一种由金属Ag组成的分层微/纳米结构中空纤维电极，用于CO₂电还原，实现了在安培电流密度(> 1 A/cm²)下CO的高效、稳定生成，在高空速31000 mL/(g_cat∙h)下CO₂转化率超过了50%。

    中空纤维结构非常适合于大规模应用，因为其高的表面/体积比、可控的制备过程、低成本且适用于工业模块。特别是, 较高的表面/体积比使中空纤维易于组装和放大，即工作电极上的单根中空纤维可以扩展到多根排列良好的中空纤维阵列，从而使CO₂电还原成可再生合成燃料的规模扩大。因此，电极面积能从几平方厘米的实验室水平放大到几千平方厘米左右的工业水平。相应地，电极的排布、电解槽的布局需要逐步优化，与放大的电场、流场耦合匹配，以突破CO₂电还原工程放大的关键瓶颈。同时，未来的研究也应着重于合成目标可再生燃料的金属选择、用于增强传质的中空纤维分层微/纳米结构的构建以及对CO₂电还原反应机理和动力学过程的深入研究。

图2. 中空纤维气体透散电极的原理图。

(a)具有分层微/纳米结构的中空纤维电极，用于电还原CO₂合成各种化学品;(b)基于中空纤维阵列的大规模CO₂电还原工程化。

# 作者简介 #

宋艳芳，中科院上海高等研究院副研究员，硕士生导师，2016年于复旦大学化学系获得博士学位，2018年9月到11月赴瑞典梅拉达伦大学做访问学者，2019年6月到2020年9月在德国鲁尔大学做博士后研究。主要从事温室气体电催化转化、多孔材料催化剂合成等方面的研究。作为负责人承担了国家自然科学基金、上海市科委和中科院部署等项目。在Angewandte Chemie、Applied Catalysis B: Environmental、ChemSusChem等重要学术期刊上发表论文20余篇，申请发明专利10余项，授权2项。入选2018年国际清洁能源拔尖创新人才培养项目、上海市青年科技英才扬帆计划、中国科学院青年创新促进会会员。

陈为，中国科学院上海高等研究院研究员，博士生导师。2008年博士毕业于中科院大连化物所，2008-2010年在美国佛罗里达国际大学从事博士后研究，2010-2015年在沙特阿卜杜拉国王科技大学从事研究科学家工作。2015年入选中科院“百人计划”于上海高研院工作，带领光电催化团队聚焦于CO₂光电催化高效转化，从催化剂表界面设计、构筑及器件放大等角度开展研究。近5年以通讯或第一作者在Nat. Nanotechnol.、Nat. Commun.、Angew. Chem.等重要期刊发表论文35篇，申请专利20余件（已授权5件）。曾获 “全国百篇优博”和“辽宁省自然科学一等奖”等。

魏伟，研究员，博士生导师，现任中国科学院上海高等研究院副院长、温室气体与环境工程中心主任。国家“万人计划”，科技部“中青年科技创新领军人才”，“国务院特殊津贴”获得者，首次准确核算了中国碳排放总量并发表相关成果于《NATURE》。联合国政府间气候变化专门委员会排放因子数据库专家、国际碳捕集领导小组成员。主要从事C1化学与工程、温室气体战略以及CO₂捕集封存和利用、纳米材料合成与应用等研究。承担并完成国家科技支撑计划2项、国家973项目1项、中国科学院战略性先导科技专项3项、中国科学院知识创新工程重要方向2项以及企业委托项目等十余项。目前在重要学术杂志，如Nature，Nature Chemistry，Nature Geoscience，Energ. Environ. Sci.，Angew. Chem. Int. Ed. 等发表高水平论文300余篇，已授权或申请国际发明专利3项、国家发明专利70余项，获中国石油天然气集团创新技术二等奖。

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