• 综述 •
华炎波,倪宝鑫,蒋昆*
Yanbo Hua, Baoxin Ni and Kun Jiang*
摘要: 电催化二氧化碳还原是一种有望解决全球能源和环境危机的变革性技术。然而,其实际应用面临着两大关键挑战:一是分离混合还原产物的过程复杂且能耗高,二是所使用碳源(反应物)的经济可行性。为了同时解决这些挑战,固态电解质(SSE)反应器的研究正在受到日益广泛的关注。在这篇综述中,我们着眼于探讨将SSE应用于电化学CO2捕获和转化串联系统的可行性。我们首先讨论了SSE反应器的结构和基本原理,随后介绍了其在上述两个领域及串联电解的应用实例。与传统的H型电解池、流动池及膜电极电解池相比,SSE的关键创新在于阴离子交换膜和阳离子交换膜之间部署的SSE层,它实现了高效的离子传输,且可通过去离子水或湿润的氮气流有效地分离离子传导和产物收集功能。目标产物可以在SSE中间层通过两极离子复合形成,并通过多孔的SSE层被流动介质高效地带走,产生纯净的液相产物。由于CO2还原反应可以生成一系列液体产物,过去几年中先进催化剂的开发也进一步推动了SSE反应器在高效化学品生产中的实践应用。值得注意的是,由于阴极还原反应常常消耗水中的质子并导致局部高碱性环境,SSE可应用于从不同气源(如烟道气)中捕获酸性CO2以形成碳酸根离子。在电场的驱动下,形成的CO32-可以通过阴离子交换膜,并被阳极半反应产生的质子所酸化,实现高浓度CO2的再生,进而被收集作为下游CO2电还原的低成本原料。基于这一原理,近年来已有多种SSE构型的反应器被报道用于高效捕获不同气源的CO2。通过两个SSE单元的协同作用,已经实现了串联电化学CO2捕获和电催化转化。最后,我们对SSE在未来面向碳中和领域的应用中提出了展望,并建议更多关注以下具体方面的优化:SSE层的基本物理化学性质、电化学工程视角下离子和物种通量及选择性,以及连续CO2捕获和转化单元之间的系统性匹配。这些努力旨在进一步推动固态电解质反应器在更广泛的电化学领域中的应用示范。