Angew. Chem. :电催化二氧化碳还原技术在工业应用中的挑战与机遇

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随着世界持续向低碳能源系统的过渡,电催化二氧化碳还原技术(ECO2R)由于可以将化学品和燃料的生产从化石原料中分离出来,从而关闭碳循环,被认为是在工业层面上实现CO2减排和碳中和最具前景的技术之一。然而,经过几十年的发展,实验室层面上对催化剂的设计和对ECO2R工艺的见解还未带来高的工业化部署率。

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基于此,香港理工大学Shu Ping Lau教授联合英国牛津大学Shik Chi Edman Tsang教授系统总结、讨论并展望了ECO2R技术在工业应用领域的发展现状、关键挑战和未来发展方向,包括电解池、离子交换膜、催化剂、气体扩散电极和反应机理。此外,还详尽地阐述了上游CO2的供应链、下游产品的市场进入壁垒、电解系统的辅助设施以及将ECO2R技术与目前能源系统集成的协同效应。具体而言,为了加速推进ECO2R从研发阶段进入工程示范阶段(R&D)的进程,应主要围绕以下几个方面:

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(1)由于优化ECO2R系统的单个组件并不能直接转化为更好的整体系统性能,因此电解池、离子交换膜、催化剂、气体扩散电极以及电解系统的辅助设施等的研发需要同步进行。新一代电解池需要对其性能指标及其可扩展性、工业部署潜力等进行基准测试和评估;高性能离子交换膜(尤其是阴离子交换膜)的发展需要被持续推进;高性能催化剂的设计需要被进一步验证;气体扩散电极的优化需要考虑CO2的化工传质及反应中间体的覆盖度等;电解系统的辅助设施需要融合人工智能化的技术,为下一代化工工业4.0做技术储备。


(2)ECO2R技术的发展不仅依赖其自身的发展,还强烈依赖整个上下游产业链的协调与同步。上游CO2的供应、下游产品的生产和纯化以及能源的供应等需要考虑CO2二次排放的风险。理想情况下,ECO2R需要与传统的能源系统相兼容,以便与现有的能源基础设施相融合或在后期进行升级。


(3)在ECO2R技术发展的早期阶段,需要世界各国官方的政策支持以显著降低ECO2R产品的市场准入门槛,从而加快CO2减排进程,实现碳中和。此外,应稳步推行并建立ECO2R示范工厂,以便将这种先进技术从研发阶段推进到示范阶段(R&D)。


ECO2R技术是服务于复杂、成熟且高度相关的石化能源行业,而不是取代它。因此,作者强调了ECO2R技术总体架构设计对于工业部署的重要性,并展望了在实验室规模上的进展引导ECO2R技术的工业化部署,从而缓解气候变化带来的最坏的影响。

文信息

Challenges and Opportunities of Electrocatalytic CO2 Reduction to Chemicals and Fuels

Xiaojie She, Yifei Wang, Hui Xu, Shik Chi Edman Tsang, Shu Ping Lau

论文第一作者为香港理工大学佘小杰博士后和英国牛津大学王一菲博士。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202211396




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