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我所实现一氧化碳高效电解制多碳燃料和化学品

近日,我所催化基础国家重点实验室纳米与界面催化研究中心(502组群)高敦峰研究员、汪国雄研究员、包信和院士等在一氧化碳(CO)电催化转化方面取得新进展,实现了高活性、高选择性和高稳定性CO电解制多碳(C2+)燃料和化学品。

利用煤、天然气和生物质衍生的CO合成乙烯等高值燃料和化学品是一条重要的非石油路线。费托合成等传统的CO热催化转化路线需要通过水气变换反应提高H2/CO比例,排放出大量CO2。此外,在合成气转化反应中通常有20%50%CO转化为CO2和甲烷,进一步增加了碳排放。因此,亟需发展更加绿色、可持续的CO催化转化新路线。

可再生能源驱动的电催化过程以水作为氢源,可在温和条件下实现CO电解转化,同时利用还原电极电势条件在根本上阻止了CO分子向CO2转化的副反应路径。本工作中,团队利用具有高密度晶界的铜催化剂和碱性膜电极电解器/电堆,实现了高效CO电解制C2+产物。在总电流密度为5A/cm2时,C2+产物法拉第效率达到87%,无CO2和甲烷等C1产物生成,C2+产物收率达到85%。该过程电解性能高,与热催化合成气转化相比具有更高的CO转化速率和C2+收率。工况拉曼光谱和密度泛函理论计算结果表明,铜纳米颗粒催化剂上的丰富晶界位点促进了碳-碳偶联。团队进一步组装了5100cm2的碱性膜电堆,其电解功率最高达到5.8kW,在总电流为400A时,C2+生成速率为118.9mmol/min,乙烯生成速率达到1.2L/min。该研究表明CO电解是CO催化转化制高值C2+燃料和化学品的一条实用路线。

相关研究成果以“CO electrolysis to multicarbon products over grain boundary-rich Cu nanoparticles in membrane electrode assembly electrolyzers”为题,于近日发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。该工作的共同第一作者是我所523组已毕业博士研究生李合肥、博士后魏鹏飞和助理研究员刘天夫。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁省兴辽英才计划、我所创新基金等项目的支持。(文/图 高敦峰、李合肥)

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-49095-2

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