压力脉冲流技术实现水相CO2电解质量传输速率三倍提升

《Chem Catalysis》：Pressure-pulsed flow triples mass transport in aqueous CO2 electrolysis

为解决水相CO2电解中CO2质量传输受限的难题，研究人员开展了压力脉冲流增强传质的研究。该研究利用廉价振动泵产生快速压力脉冲（50 Hz），使CO部分电流密度超过80 mA/cm2，最高达87 mA/cm?2，传质增强归因于气泡振动与流动振荡，为开发可扩展的CO2电解系统提供了新方向。

　　

在向可再生能源转型的宏大背景下，长距离运输和塑料制造等行业仍迫切需要碳基化学品，这些行业每年产生数百万吨化学品，相当于全球CO₂排放量的10%–20%。电化学CO₂还原（CO₂R）技术提供了一条充满前景的替代路径，它仅需使用CO₂、水和可再生电力即可进行生产。然而，要在气候问题上产生实质影响，迫切需要将CO₂电解技术发展为可规模化应用的方案。

目前，完全在水相条件下进行的CO₂电解技术，其发展受到CO₂质量传输缓慢的严重制约。虽然采用气体扩散电极（GDE）的气相CO₂R是当前的最佳实践，但水相CO₂R具有避免盐类形成、易于控制水量以及更容易与CO₂捕获过程集成等潜在优势。

这项研究展示了一项潜在的突破：一种在压力脉冲流下运行的液态水相CO₂电解器。研究人员巧妙地利用咖啡机中常见的廉价振动泵产生快速压力脉冲（频率50 Hz，压力在1至2.5巴之间波动），显著改善了CO₂的质量传输。令人振奋的结果是，即使使用的是商业银网阴极和在1个大气压CO₂压力下饱和的溶液，该系统也实现了高达87 mA cm^?2的CO₂还原产物限域电流密度——这比不使用脉冲时提高了近三倍，并且比典型的水相系统高出一个数量级。

通过高速成像技术和粒子图像测速（PIV）技术，研究团队揭示了压力脉冲增强传质的双重机制：流动振荡和气泡振动。基于量级缩放分析，研究人员预测，通过利用更高的脉冲频率和压力振幅，还有可能获得更高的电流密度。

当然，这一压力脉冲概念在走向实际应用的道路上仍面临一些挑战，例如泵的能耗、溶液污染、系统发热以及压力波衰减等问题。尽管如此，这项研究无疑为高性能水相CO₂电解技术的发展指明了一个充满希望的新方向。