規模化一氧化碳電合成獲進展

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近日，華東理工大學材料科學與工程學院清潔能源材料與器件團隊在規模化CO電合成領域獲新進展。相關研究以《規模化合成不飽和配位金屬位點用于規模化二氧化碳電解》為題在《自然—通訊》在線發表。

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二氧化碳膜電極電解器件及其規模化一氧化碳電合成。華東理工供圖

可再生電力驅動的CO2電解制化學品過程是助力“碳達峰、碳中和”目標實現的理想途徑，其中CO2還原產CO具有高選擇性、低能耗和易分離產物的優點，是最具工業應用前景和經濟價值的轉化路徑之一。然而，目前高效、穩定的CO2電解產CO催化劑主要依賴于金、銀等貴金屬材料，同時電解器件的催化反應速率往往在安培級以下，遠無法滿足工業化的要求。因此，規模化合成低成本、高活性的催化材料，并將其性能應用于大面積的反應器件，對于推動CO2電解工業化進程具有重要意義。

針對這一問題，研究團隊創新性地發展了一種具有普適性、可規模化制備不飽和配位鈷單原子催化劑的微波合成法。該催化劑應用于膜電極器件具有出色的CO2電解產CO性能，在200 毫安/平方厘米的電流密度下法拉第效率為95.4%，且器件整體的能量效率達到54.1%。

此外，研究團隊自主加工設計了具有不同規格的CO2電解膜電極器件，將膜電極放大至100 平方厘米，該催化劑在10安培的工業級電流下，CO選擇性為86.8%，并且在150 標準毫升/分鐘的CO2流速下實現了40.4%的CO2單程轉化率。原位衰減全反射紅外光譜和密度泛函理論計算證明了原子級分散的不飽和配位鈷-氮位點不僅有利于CO2吸附，而且促進了關鍵中間體生成，從而加速了CO2向CO的定向轉化過程。該研究工作為規模化CO電合成提供了一個新的視角。