作者:谢午阳,李思辉 来源:中国科学报 发布时间:2024/2/6 14:22:46
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废旧电池变“燃料” 打破多项世界记录

 

二氧化碳等温室气体过量排放,会导致温室效应加剧,进而产生一系列负面影响。含铅、锌等重金属元素的电池废弃后,如不妥善处理,也会对生态环境产生毒害作用。

日前,华中科技大学夏宝玉团队、中国科学技术大学姚涛团队,以及新西兰奥克兰大学王子运团队联合研究发现,将废旧电池和温室气体结合起来,能产生“负负得正”的效果。联合团队使用回收的废电池,将二氧化碳“加工”成具有较高经济价值的化工原料甲酸,实现变废为宝。相关研究成果1月31日发表于《自然》。

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夏宝玉教授(前排坐者)及其研究团队。受访者供图

“我们创建了质子交换膜二氧化碳电解系统,让甲酸的生成率超过93%,并能连续稳定运行5000小时以上,在多项指标上打破世界纪录。”论文通讯作者、华中科技大学教授夏宝玉告诉《中国科学报》。

另辟蹊径,变废为宝


含有大量碳元素的化石燃料经过一系列反应,产生二氧化碳。随着社会快速发展,化石燃料过度使用导致空气中二氧化碳浓度逐年递增,加剧气候系统的不稳定性。

我国于2020年提出“双碳”目标,方向是逐步调整产业结构、加强技术创新,促进绿色可持续发展。“通过二氧化碳电解反应,将其转化为高附加值燃料和化学品,是一条绿色之路。”夏宝玉说。

资料显示,二氧化碳电解是在催化剂的作用下,将二氧化碳转化为相关化学制品的技术,有广阔的应用前景。在诸多电解产物中,甲酸是一种重要的液体化学原料,在化工、能源、农业等领域有广泛应用。高效稳定地获得高纯度甲酸,不仅消耗了二氧化碳、改善环境污染问题,还能改善能源危机、创造可观的经济效益。

高效、稳定、高纯度,这正是研究团队面临的挑战。此前,虽然已有二氧化碳电解等方面的研究,但电解环境中各原材料相互“打架”、电解系统寿命短等仍然是未解决的难题。

一次,在校园中散步时,夏宝玉偶然看到一辆有些破旧的电动车。他当即想到,市面上常见的电动车,大多选用锂电池或铅酸电池供电。而铅酸电池正是他在此前的研究中关注过的。

“什么物质能在酸性条件下高效稳定还原二氧化碳?铅就是其中之一,但是少有人去研究。”夏宝玉介绍,“近些年,相关研究中使用的电解液大多呈碱性,这导致很多二氧化碳被碱性电解液吸收,在电极表面生成大量碳酸盐沉淀,大幅降低了系统的转化效率和寿命。”

针对这些难题,团队创新使用酸性电解液、开发关键催化材料、设计膜电极系统,研发出新型质子交换膜二氧化碳转化系统,显著提升了系统稳定性和二氧化碳转化效率。

接力挑战高难度课题


取得这样的成绩,并不容易。研究团队朝着这个研究方向,深耕了近五年。

“我2019年加入夏老师团队,接触到这个研究方向。”论文第一作者、华中科技大学博士生房文生回忆,“这也是我研究生阶段遇到的第一个课题。”彼时,还是硕士生的他并不知道,这是一项多么“艰巨”的任务。

摸索一段时间后,虽然有了一些知识储备,“但还远远不够”。“很多人觉得这个方向太难了,要做很多实验、测大量的数据,我也有点儿打退堂鼓。”房文生说。

出于这样的考虑,他将这个课题暂时搁置。一年后,在夏宝玉的鼓励下,在积累了更多“实战”经验后,“捡起来”继续推进。

实验过程中团队发现,在酸性较强的溶液中进行二氧化碳电解,催化剂通常会面临严重的析氢现象,同时也会加剧材料的腐蚀难以高效稳定地进行还原反应,严重影响系统的稳定性。

“困难总是有的,需要一个一个地解决。”房文生说。

经过不断尝试,结合铅酸电池带来的“启发”,联合团队制备出铅基耐酸腐蚀的二氧化碳还原电催化剂。这种催化剂可以显著抑制酸性电解系统中的析氢现象,并将二氧化碳单一选择性地转化成甲酸,转化效率也高达90%以上。不仅如此,这种性能优越的催化剂,还能实现公斤级甚至吨级的量产,以满足工业化的需求。

二氧化碳的高效转化实现了,联合研究团队却并不满足。“这只成功了一半。我们解决了高效的问题,之后还要让它长时间高效。”夏宝玉说,“稳定的系统,是保持高效状态的重点。”

为响应国家需求层层攻关


在解决系统稳定性问题的道路上,研究团队发现,系统中的关键部件质子交换膜常常会被破坏。

电池一般由电极、电解质、隔膜等部分组成。其中,隔膜用于阴阳两级间的离子交换。深入研究后团队发现,由于电解质中含有水,在反应过程中,水经过氧化产生的副产物双氧水会腐蚀质子交换膜,进而影响整个电解体系的性能与寿命。

“原本平整光滑的一张膜,只运行了几百个小时就被腐蚀得破破烂烂,设备也不能正常运行了。”夏宝玉说,“我们想了很多办法,去解决膜被破坏的问题。”

在能源化学领域深耕多年的研究经验,让夏宝玉产生了“以氢气替换水”的想法,让副产物不再产生。这不仅有效避免了质子交换膜的腐蚀,大幅提高稳定性和使用寿命,还极大地减少了系统的耗电量,让团队收获了意想不到的效果。

有了这一突破,后续的测试可以稳定进行。不过,由于测试仪器的限制,实验不能“自主”开展,到了测试时长的上限,需要刷新重置才能继续。这就得有人一直在旁边盯着。

星期天,房文生有时不在实验室,夏宝玉会发消息问:“文生,装置怎么在闲着?”

到了放假时间,房文生则会说:“夏老师,我再多留几天。”

在研究进行的几年里,上面的对话常见于师生之间。

终于,在联合团队的共同努力下,协同攻关下,稳定性的难题也解决了,团队实现了系统低能耗高效率电解反应,能连续运行5000小时以上,较业内水平遥遥领先。

“通过这项技术,从二氧化碳到燃料、燃料到二氧化碳、二氧化碳再变成燃料,我们就构建了一个人工的碳循环。在这个过程中,中国科学技术大学和新西兰奥克兰大学团队做了许多重要的工作。”夏宝玉说,“我们所做的研究有助于解决废旧电池处理这个老大难问题,有助于国家‘双碳’战的实现,我们就是想多做些这样‘经世致用’的事。”

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06917-5

 
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