Advanced Science报道机械能回收和CO2还原新策略

一、 【导读】

低频机械能可来源于风能、水能和海洋波浪能，是一种储量丰富、清洁和可再生的能源。然而，机械能是不规则、断续、波动的，其储存的难度很大，这限制了机械能的转化和利用。一种比较理想的储存机械能的方法是将其转变成化学能。在常温常压下，机械能很难引起的惰性CO₂分子的分解，因此，目前直接利用机械能转化CO₂的反应鲜有报道。

近年来，采用摩擦纳米发电机（TENG）将低频机械能转变成电能的方法比较流行。TENG能够输出上千伏的高电压，可在常温常压下能引起气体电离，产生摩擦电等离子体，促进CO₂还原反应，具有较高的机械能向化学能转化效率。

二、【成果掠影】

近日，河南大学博士生李素敏和张宝博士为共同第一作者，程纲教授和杜祖亮教授为共同通讯作者的文章提供了一种机械能驱动的CO₂还原系统，通过机械能驱动多脉冲摩擦电等离子体实现机械能向化学能的转化。在0.8 mm的最佳电离距离时，CO和O₂产物的生成速率分别为12.4 μmol/h 和6.7 μmol/h。CO选择性为92.4%，电能向化学能的转换效率η_ele-chem为31.9%，高于其他非能量转换和非热等离子CO₂还原系统。机械能向化学能转换效率达到迄今为止最高的2.3%。等离子体模拟和光谱分析表明摩擦电等离子体中电子的平均能量很低，CO₂还原主要通过低势垒振动激发分解。采用风能作为机械能来源，获得的最大CO产物生成量为16.8 μmol/h。

相关研究成果以“Triboelectric Plasma CO₂ Reduction Reaching a Mechanical Energy Conversion Efficiency of 2.3%”为题发表在Advanced Science上。

三、【数据概览】

图1 机械能驱动双功能、多脉冲、流动摩擦电等离子体的CO₂还原系统：a) 实验装置示意图；b) 摩擦电等离子体电流、电压与时间的关系；c) 摩擦电等离子体的高速成像照片；d) ¹³CO₂示踪的¹³CO产物质谱图；e) C¹⁸O₂示踪的¹⁸O₂产物质谱图。反应条件：电离距离0.8 mm；TENG旋转速率180 rpm；CO₂流速10.0 mL/min；常温常压。

图2 TENG旋转速率对CO₂分解作用的影响：a) 不同TENG旋转速率下的电流、电压曲线；b) CO释放速率和平均能量与TENG旋转速率的关系；c) 电能向化学能的转换效率（η_ele-chem）与TENG旋转速率的关系。反应条件：电离距离0.8 mm；CO₂流速10.0 mL/min；常温常压。

图3 电离距离对CO₂分解作用的影响：a) CO释放速率和平均能量与电离距离的关系；b) 电能向化学能的转换效率（η_ele-chem）与电离距离的关系；c) 电离距离为0.8 mm时，反应时间300 min以内的η_ele-chem变化；d) 电离距离为0.8 mm时，反应时间300 min内的CO选择性（反应条件：TENG旋转速率180 rpm；CO₂流速10.0 mL/min；常温常压）；e) η_ele-chem与SEI（能量输入与反应气体的摩尔比）的关系；f) CO选择性与η_ele-chem的关系。

图4 摩擦电等离子体驱动CO₂还原的机理：a) CO₂在等离子体中的四种可能的分解路径；b) 电离距离为0.2和0.8 mm时摩擦电等离子体的光谱图；c) 演变时间6 ns、电离距离0.8 mm条件下中垂线的平均电子能量（E_e）和电子密度（n_e）；d) 振动激发分解路径示意图，CO_2(v)和 CO_2(v*)代表不同振动激发强度，CO_2(v*)更强。

四、【成果启示】

文中提出了一种通过机械能驱动的双功能、多脉冲、流动摩擦电等离子体还原CO₂的系统，该系统可在常温常压条件下运行，实现机械能的收集并将其转换成化学能。该系统对波动的机械能和流动的CO₂气体具有很好的兼容性。文中提供的策略既能解决了分散机械能储存的问题，又能减少全球碳排放，缓解温室气体对环境的危害。

文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202201633