莱斯大学汪淏田教授Nature Catalysis前瞻:基于CO2还原制备高浓度和纯度的液体燃料策略

【引言】

大气中二氧化碳（CO₂）的浓度不断增加，引起了人民对全球气候变化的严重关切。《巴黎协定》的目标是大幅减少全球温室气体排放，并将本世纪全球气温升幅限制在工业化前水平。得益于可再生电网技术的快速发展，现在可以有效地从太阳能或风能中获取绿色电力，并不断降低其成本以达到极具竞争力的水平。可再生电力的这种持续成本下降显著提高了电化学催化还原CO₂ 成化学原料的市场竞争力和可承受能力。与传统的化学合成方法相比，使用电化学CO₂ RR生产化学品和燃料具有多项优势，包括温和的反应条件、高能量转换效率、生产实时性以及易于适应性和大规模扩展性。根据所使用的电催化剂，可以获得从 C₁（例如，一氧化碳（CO）、甲酸（HCOOH）、甲烷 （CH₄）和甲醇（CH₃OH））到各种C₂化学品和燃料甚至到C₃的高附加产物。与气相产品相比，由CO₂ RR生产的液体燃料因其高能量密度、易于运输和储存以及与气相自发分离等优点引起了特别的兴趣。然而，目前通过CO₂ RR生产液体燃料的经济可行性和大规模应用的实质性仍然存在着各种挑战。其中，生成的液体燃料的纯度和浓度问题是亟待解决的突出挑战。

近日，美国莱斯大学汪淏田教授（通讯作者）强调了通过CO₂电还原生产高纯度和高浓度液体燃料的重要性和挑战性，这也是CO₂ RR领域中经常被忽视的问题。同时，使用先前报道的技术经济分析模型，指出了下游分离纯化和浓缩相关的额外成本将极大地降低液体产品的经济可行性，表明了直接从CO₂电解槽获得高纯度和高浓度液体燃料的必要性。此外，通过简要回顾催化反应器设计在解决这一杂质和低浓度挑战方面的最新进展，提出了不同的策略作为未来潜在的研究方向，以进一步提高产品的选择性、活性、纯度和浓度，并帮助推动CO₂ RR生产高纯度和高浓度液体燃料的发展，使其更接近于未来的大规模应用。相关研究成果以“High-purity and high-concentration liquid fuels through CO₂ electroreduction”为题发表在Nature Catalysis上。

【图文导读】

图一、CO₂ RR技术和下游液体产品分离概述

（a）通过电化学CO₂还原进行可持续化学品生产的示意图；

（b）传统的CO₂电解槽使用液体电解质进行离子传导和液体产物收集，因此需要下游分离过程来回收纯液体燃料；

（c）高纯度、高浓度液体燃料的脱盐和蒸馏等下游分离过程示意图。

图二、用于液体燃料和技术经济考虑的CO₂ RR催化剂

（a）CO₂ RR途径和通往甲酸，甲醇以及C₂₊产物的关键反应中间体；

（b）水溶液中C₁和C₂₊产物的最先进的CO₂还原性能；

（c）液体燃料活性、选择性、相对纯度、能量密度和成本的雷达图总结；

（d）不考虑产品净化过程，将CO₂还原为液体燃料的成本；

（e）下游的脱盐和蒸馏过程为实现适合市场供应链的高纯度和高浓度液体燃料增加了额外的成本。

图三、固体电解质反应器

图四、用于高纯度和高浓度液体燃料的CO₂电解槽设计

（a）固体电解质电池中惰性气体流动以产生高浓缩产品的液体燃料蒸汽的示意图；

（b）用于生产浓缩液体燃料的AEM组装电池的示意图；

（c）在酸性环境下，需要高催化CO₂性能的CEM组装电池的示意图。

【小结】

综上所述，将CO₂还原为液态燃料的技术经济分析传达了一个重要信息，即在CO₂ RR领域经常被忽视的传统电解槽中的电解质混合物和低浓度问题可能是商业化过程中的最大障碍之一。一个有前途但具有挑战性的方向是设计新型催化反应器，例如固体电解质反应器，它可以直接生产高纯度和高浓度的液体燃料，而无需下游的产品分离过程。虽然目前的大部分研究都集中在开发高性能 CO₂ RR催化剂上，但在过去十年取得了令人振奋的进展，需要更多的努力来研究其他组分电解槽设计，包括GDL、膜、固体电解质、界面等，最终实现商业级液体燃料产品的目标。将CO₂还原为纯液体燃料的反应器工程的未来进展也将极大地有益于电合成的其他领域，例如将氧气还原为过氧化氢和将氮气还原为氨，以实现纯液体产品的直接生成，将这些电化学应用推向新的发展水平。

文献链接：“High-purity and high-concentration liquid fuels through CO₂ electroreduction”(Nature Catalysis，2021，10.1038/s41929-021-00694-y)

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1.团队介绍：

汪淏田 助理教授 莱斯大学 William Marsh Rice Trustee Chair Assistant Professor。

2011 年本科中国科学技术大学物理系毕业，2016 年于斯坦福大学获应用物理博士学位，随后于哈佛大学罗兰研究所担任罗兰学者并建立课题组（2016-2018）、2019年起就职莱斯大学。组建课题5年多以来，已在包括Science, Nature Energy，Nature Catalysis, Nature Chemistry等高影响期刊上发表重要工作。课题组研究聚焦在能源、环境等领域，利用基础纳米科技去解决催化、电池、清洁能源转化与存储、水处理、绿色合成等科学技术前沿问题。

2.团队在该领域的工作汇总：https://wang.rice.edu/publications/

3.文献推荐：

电催化还原CO₂：

1. P. Zhu and H. Wang*, High-purity and high-concentration liquid fuels through CO2 electroreduction, Nature Catalysis 4, 943 (2021).
2. C.Xia*, Y. Qiu, Y. Xia, P. Zhu, G. King, X. Zhang, Z. Wu, J. Kim, D.A. Cullen, D. Zheng, P. Li, M. Shakouri, E. Heredia, P. Cui, H.N. Alshareef, Y. Hu*, and H. Wang*, General synthesis of single-atom catalysts with high metal loading using graphene quantum dots, Nature Chemistry, DOI: 10.1038/s41557-021-00734-x (2021).
3. C. Xia, P. Zhu, Q. Jiang, Y. Pan, W. Liang, E. Stavitsk, H.N. Alshareef, and H. Wang*, Continuous production of pure liquid fuel solutions via electrocatalytic CO2 reduction using solid-electrolyte devices, Nature Energy4, 776 (2019).

电催化还原H₂O₂和OER：

1. C. Xia^, Y. Xia^, P. Zhu, L. Fan, and H. Wang*, Direct electrosynthesis of pure aqueous H2O2 solutions up to 20% by weight using a solid electrolyte, Science366, 226 (2019).
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水处理（电催化还原NO₃^-）：Z. Wu, M. Karamad, X. Yong, Q. Huang, D. Cullen, P. Zhu, C. Xia, Q. Xiao, M. Shakouri, F. Chen, J. Kim, Y. Xia, K. Heck, Y. Hu, M. Wong, Q. Li, I. Gates, S. Siahrostami*, and H. Wang*, Electrochemical ammonia synthesis via nitrate reduction on Fe single atom catalyst, Nature Communications 12, 2870 (2021).