中国科大吴宇恩/张钰/周煌Joule：一种双极膜集成的单电解池循环系统 | Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

来自中国科学技术大学的吴宇恩，张钰和周煌教授等在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表了题目为“Continuous conversion of flue gas into syngas by bipolar membrane-integrated single-cell cyclic system”的文章，该研究设计了一种双极膜集成的单电解池循环系统。该系统的特点是在集成电解池的阳极和阴极之间气液混合循环流动，使其能够同时从烟气中吸收二氧化碳并将捕获的二氧化碳转化为合成气。在250 mA/cm2的工业电流密度下，成功地将烟气中的二氧化碳浓度从15%降低到4.3%（二氧化碳捕获效率为61.7%），并获得高选择性（近100%）合成气（H2:CO=3:1）。此外，与以往的研究相比，由于阴极中使用了Ni单原子催化剂，该电池对SOx和NOx具有优异的耐受性。这些结果为低浓度二氧化碳转化铺平了道路，促进了ECO2RR技术的应用。

第一作者：何大寅，马宪辉

通讯作者：吴宇恩，张钰，周煌

单位：中国科学技术大学

研究背景

电化学CO₂还原反应（ECO₂RR）技术可以利用可再生能源将CO₂转化为有价值的产物，是减少碳排放和实现碳中和的最有前途的候选技术之一。然而，直接利用烟气进行CO₂还原面临着NOₓ、SOₓ和O₂等杂质气体的激烈竞争，这意味着需要先从烟气中捕获和净化二氧化碳，才能进一步利用。目前，二氧化碳气体捕集技术普遍存在成本高、能源效率低的问题，因为二氧化碳捕集介质需要进行连续的再生步骤。尽管电化学碳捕集技术在碳管理中具有广泛的应用前景，但仍存在捕集效率低和系统复杂等问题。利用碳酸氢盐捕集液作为碳源的CO₂电还原反应被认为是气相CO₂电还原的替代方法。在这一过程中，双极膜释放的H⁺与碳酸氢盐结合，在电极表面原位富集并转化CO₂。然而，目前的研究主要集中在碳酸氢盐的直接转化过程上，缺乏对CO₂捕集过程的系统性研究。虽然有研究尝试将二氧化碳捕集和转化过程耦合在串联装置中，但当该技术应用于工业规模时，仍需要分离的上游和下游工厂来捕集和转换二氧化碳，同时还需要额外的二氧化碳储存和运输设施。这个复杂的过程不仅增加了资本成本，还降低了能源效率。

本文要点

要点一：设计了一种双极膜集成单电解池，可以同时实现烟气中CO2的捕获和转化制合成气。

作者首先对比了传统的CO₂电还原捕获和转化路径，包括seq-RWGS系统(包括胺捕获CO2和逆水煤气转化反应)和seq-ECO₂RR系统（包括胺捕获CO2和CO2电还原反应），发现这两种系统都面临着复杂的工艺配置、高能耗和高成本问题。例如，seq-RWGS系统（图1a）中的高温CO₂解吸和转化反应过程需要大量热能，从而增加了碳足迹。对于seq-ECO₂RR系统而言，“水淹”效应和碳酸盐沉淀引发的稳定性问题仍然限制了其进一步的工业应用。此外，由于该路径的SPCE较低，产品分离过程的能耗和成本也较高。相比之下，作者设计的系统（图1b）采用了完全集成的单个电解池，极大简化了CO₂捕获和转化的工艺配置，避免了CO₂的吸收与解吸、加压和产品纯化等步骤。

图1 传统的CO2捕获和转换系统以及设计的双极膜集成电解池系统示意图。

要点二：设计的Ni单原子催化剂表现出优异的合成气制备性能以及对烟气杂质具有优异的耐受性。

作者设计了一种Ni单原子材料作为ECO2RR的催化剂。X射线衍射，HRTEM，HAADF-STEM和EDS mapping显示，Ni、N和C均匀分散在碳载体上。同步辐射结果进一步证实了Ni-SAC的Ni-N3的配位结构。该催化剂表现出优异的气馈ECO2RR性能，因此在集成到双极膜电解池中，能保证在不同电流密度下保持较高的ECO2RR性能。

图2 BPM集成单电解池中CO2捕获和转化过程示意图及Ni-SAC表征。

要点三：研究了该集成系统的从烟气中捕集CO2的效率与转化制备合成气的反应性能，并证明了系统在长时间运行和烟气污染物干扰下的优异性能

作者对双极膜集成电解池的CO₂捕获和转化性能进行了系统测试。在工业电流密度（250 mA/cm²）下，系统的CO选择性达到28%，CO₂捕获效率为61.7%，表现出良好的稳定性和碳平衡。在含NOx和SOx等污染物的烟气中，系统依然能够保持较高的CO₂捕集和转化效率，展现出显著的污染物耐受性。此外，经过210小时的长时间稳定性测试，系统的性能未明显下降，催化剂仍保持原子分散状态，证明其具有优异的稳定性和耐久性。

图3 双极膜集成电解池的CO2捕获和转化性能

要点四：经济技术分析证实设计的集成系统优于传统系统

作者通过对三种不同的二氧化碳捕集和转化路径进行技术经济可行性分析，发现电池电压和电价是影响集成系统合成气生产成本的主要因素，而电流密度对成本的影响在超过250 mA/cm²后逐渐减小。与其他路径比较，集成系统在能效和生产成本方面表现出显著优势，其能效为96.2 GJ/吨合成气，远低于其他两种系统（分别为126.7 GJ/吨和134.2 GJ/吨）。该系统通过结合双极膜（BPM）与碳酸氢根离子生成CO₂，避免了传统的二氧化碳捕集和分离步骤，从而大幅降低了能源消耗和成本。此外，集成系统在碳排放方面也优于其他两种系统，最大减少了从0.783到0.187 kg CO₂/kg合成气。因此，集成系统在能效、成本和碳排放方面具有明显优势，是实现可持续合成气生产的理想解决方案。

图4 不同的CO2捕获和转化系统的经济技术分析

通讯作者介绍

吴宇恩

教授

吴宇恩，中国科学技术大学应用化学系教授，中国科学技术大学第一附属医院兼职教授，博士生导师，教育部长江特聘教授。近些年来专注于单原子、团簇催化剂的理性设计及其工业化应用探索。2015年获基金委优秀青年基金资助，2017年获国家重点研发计划纳米专项青年项目资助并任首席，2018年获得中国化学会纳米化学新锐奖，2019年获得中国化学会青年化学奖，2020年获得霍英东青年教师奖，2023年获得光谷成果转化奖。近年来，以通讯作者在国际主流期刊发表学术论文150余篇，Nat. Catal. (3), Nat. Synth. (1), PNAS (2), J. Am. Chem. Soc.(16), Angew. Chem. Int. Ed. (18), Nat. Commun. (10), Adv. Mater. (7), Chem (2), Joule (2)等，论文总引用2.6万余次，h-index 74, 2020-2024年入选科睿唯安高被引科学家。目前担任期刊Industrial Chemistry & Materials编委，Science China Materials编委，Small Methods客座编辑（单原子催化专刊），无机化学学报青年编委，Chemical Research in Chinese Universities青年编委，内燃机协会燃料电池分会委员以及中国化学会CO2分会委员，中国化学会纳米酶分会委员。

张钰

副研究员

张钰，中国科学技术大学副研究员。2020年4月获得日本京都大学博士学位，2020年7月加入中国科学技术大学吴宇恩教授课题组从事博士后研究工作。2022年12月起任中国科学技术大学副研究员。近年来的研究方向主要为电化学反应器的结构设计及深度的应用开发。以第一作者和通讯作者(含共同)在Advanced materials, Angew. Chem. Int. Edit.、Advanced Energy Materials, Device, Chemical Science等期刊上发表论文10余篇。

周煌

特任教授

周煌，中国科学技术大学特任教授， 2024年国家优秀青年基金获得者。近年来致力于原子尺度催化剂设计及电化学器件开发。2017年硕士毕业于武汉理工大学（师从木士春教授），2020年博士毕业于中国科学技术大学（师从吴宇恩教授），随后留校从事博士后研究工作（合作导师：李亚栋院士、吴宇恩教授），获得2020年度”博新计划”资助。2022年加入中科大化学与材料科学学院应用化学系，任特任副研究员，2024年先后转为长聘副教授、特任教授。近5年来，发表SCI论文60余篇，其中以第一作者和通讯作者（含共同）在Joule(1), Nat. Catal. (1), Nat. Synth.(1), PNAS.(1),Nat. Commun. (2), J. Am. Chem. Soc. (5), Angew. Chem. Int. Ed. (2), Energy. Environ. Sci. (1)等期刊上发表论文20余篇。主持国家自然科学基金、安徽省重点研发计划等项目10余项。获得中国科学院特别研究助理、中国科学院院长奖、安徽省优博、中科大“墨子”特别津贴等荣誉或奖励。

相关文章信息

研究成果发表于在Cell Press

旗下期刊Joule上

▌论文标题：

Continuous conversion of flue gas into syngas by bipolar membrane-integrated single-cell cyclic system

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435124005427

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.12.007