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記者28日從南開大學獲悉，該校電子信息與光學工程學院羅景山教授課題組在酸性膜電極電催化二氧化碳還原領域取得新進展。團隊創(chuàng)新采用多孔膜替代傳統(tǒng)離子交換膜，在酸性條件下實現(xiàn)了高選擇性、長穩(wěn)定性的電催化二氧化碳轉化，為二氧化碳資源化利用提供了新的解決方案。研究成果已于近日發(fā)表于《自然·通訊》。

據(jù)了解，二氧化碳是主要的溫室氣體，將其“變廢為寶”是實現(xiàn)“雙碳”目標的關鍵。零間隙膜電極電解槽是實現(xiàn)二氧化碳高效轉化的重要技術，但其運行中長期面臨析鹽、滲水及析氫副反應等問題，導致系統(tǒng)穩(wěn)定性與碳利用率難以兼顧。

“就像日常生活中燒水壺結水垢一樣，電解槽中出現(xiàn)的‘水垢’容易堵塞管道、損壞設備，導致反應很快中斷、不穩(wěn)定。”團隊成員、南開大學電子信息與光學工程學院2022級博士生魏世蕾解釋道。

針對這一挑戰(zhàn)，團隊提出更換核心“過濾部件”，采用多孔膜替代傳統(tǒng)離子交換膜，構建酸性體系下的零間隙膜電極電解槽，選用合適孔徑與適當親水性的多孔膜實現(xiàn)物質傳輸平衡，從根本上改善反應環(huán)境。這一設計有效抑制了析鹽與析氫副反應，使系統(tǒng)在高電流密度下仍能保持優(yōu)異性能。

實驗表明，在酸性電解液條件下，多孔膜電解槽在400mA cm?2電流密度下，一氧化碳法拉第效率達85%，遠高于離子交換膜系統(tǒng)的不足20%。該系統(tǒng)在連續(xù)運行200小時的測試中表現(xiàn)穩(wěn)定，二氧化碳還原產(chǎn)物中一氧化碳比例接近100%，副產(chǎn)物極少且無析鹽現(xiàn)象。在100cm2大面積電解槽中，該技術仍能穩(wěn)定運行超過120小時，一氧化碳比例保持約90%，展現(xiàn)出良好的可擴展性與工業(yè)應用潛力。

“簡單來說，換上多孔膜之后，不僅不會結‘水垢’，而且還能在更大的設備中穩(wěn)定運行，這意味著它有潛力進行工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。”魏世蕾說。

“這項成果為酸性膜電極二氧化碳還原電解槽提供了新的膜使用及設計策略，為未來實現(xiàn)高附加值碳基燃料與化學品的電合成奠定了基礎?！绷_景山表示，團隊始終致力于解決二氧化碳轉化中的科學難題，未來將進一步優(yōu)化電極界面設計，積極推進實驗室的二氧化碳電解技術向工業(yè)化轉化。

（南開大學供圖）