综述：烟气直接电还原技术：进展与经济分析

《Journal of Energy Chemistry》：Direct electroreduction of flue gases: progress and economic analysis

工业废气中CO2电化学还原技术挑战与策略研究。该研究系统评述了低浓度CO2（<20 vol%）电解还原的难点，包括杂质气体（O2、SOx、NOx）竞争反应、转化效率低等问题，提出抗干扰催化剂设计策略，并通过 techno-economic analysis 比较纯CO2电解与直接工业废气处理的经济性，指出多功能催化剂开发、复杂反应机理探索及电解系统优化是未来重点方向。

　　随着工业化进程的加速，传统化石燃料的大量使用使得大气中的二氧化碳浓度已超过400 ppm，远超工业化前的水平，从而引发了严重的环境和能源危机。面对这一挑战，碳捕集与封存（CCS）技术作为一种减缓碳排放的途径，已经得到广泛应用。然而，先进的二氧化碳转化技术，特别是电化学还原反应（eCO?RR），因其能够将二氧化碳转化为高附加值化学品（如一氧化碳、甲醇、乙醇等）的同时解决能源可持续性问题，展现出更大的潜力。尤其是在可再生能源驱动下，eCO?RR不仅有助于减少碳排放，还为碳资源的再利用提供了新的方向。

尽管eCO?RR在实验室和高纯度二氧化碳环境中取得了显著进展，但其在工业应用中面临诸多挑战。工业排放的烟气中，二氧化碳浓度通常较低（如燃煤烟气中约为10–15%、钢铁厂废气中约为20–25%），同时伴随着复杂的杂质气体，如氧气（O?）、二氧化硫（SO?）、氮氧化物（NO?）等。这些杂质的存在不仅降低了二氧化碳的浓度，还可能引发竞争性反应，如氧还原反应（ORR）和氢析出反应（HER），这些反应的热力学电位通常高于eCO?RR，从而显著影响整体反应的选择性和效率。此外，传统二氧化碳捕集和纯化过程本身也占据了相当大的成本比例，使得直接烟气电化学还原（DFGE）成为一种更具吸引力的替代方案。

DFGE的核心优势在于其能够直接处理含有低浓度二氧化碳的烟气，避免了高昂的捕集和纯化步骤，从而大幅降低整体成本。例如，2014年Kim等人的研究首次成功地在含15%二氧化碳的烟气中实现了电化学还原，生成了一氧化碳。这一突破不仅展示了DFGE在经济性和能源效率上的潜力，也为后续研究提供了重要方向。此后，科研人员不断探索催化剂结构的创新和电解槽工程的优化，以提高烟气电解的效率和稳定性。例如，通过纳米结构设计、气体扩散电极（GED）优化等手段，研究人员逐步提升了DFGE的性能，使其在实际应用中更具可行性。

然而，尽管DFGE具有显著的优势，其实际应用仍面临诸多技术难题。首先，低浓度二氧化碳的处理需要高效的催化剂，以确保在有限的反应条件下仍能实现高选择性和高转化率。其次，烟气中的杂质气体可能会与二氧化碳竞争催化剂活性位点，导致副产物的生成和催化剂性能的下降。因此，开发一种能够有效抵御杂质气体影响的电催化剂，成为DFGE技术发展的关键。此外，由于烟气中氧气的存在，ORR在电化学反应中占据主导地位，这不仅消耗了部分电流，还可能对目标产物的生成产生不利影响。因此，如何在不牺牲eCO?RR效率的前提下，有效抑制ORR和HER等竞争性反应，是当前研究的重要课题。

在催化剂设计方面，研究人员已经提出了多种策略。例如，通过调整催化剂的组成和结构，可以增强其对二氧化碳的吸附能力，同时降低对杂质气体的敏感度。此外，利用多功能催化剂的设计理念，使得催化剂能够同时催化多种反应路径，从而在复杂气体环境中实现更高的反应效率和选择性。例如，一些研究尝试将铜基催化剂与其他金属或非金属材料结合，以提高其对多碳产物（如乙烯、乙醇）的催化能力，同时增强其对杂质气体的抗干扰能力。这些策略的探索不仅有助于提升DFGE的性能，也为未来催化剂的开发提供了新的思路。

与此同时，烟气中杂质气体的处理方法也在不断优化。一方面，可以通过物理或化学手段对烟气进行预处理，以降低杂质气体的浓度，从而减少其对eCO?RR的影响。另一方面，也可以通过改进电解槽的设计，使催化剂能够更有效地选择性地催化二氧化碳的还原反应，而不受杂质气体的干扰。例如，一些研究提出采用新型的气体扩散电极，以增强二氧化碳的传质效率，同时减少氧气和氮氧化物对反应的干扰。此外，利用电化学调控手段，如调整反应条件（如pH值、电流密度等），也可以有效抑制竞争性反应的发生，提高目标产物的生成效率。

从技术经济角度分析，DFGE相较于传统的eCO?RR技术，具有明显的成本优势。根据现有研究，直接空气捕集（DAC）的成本高达100–1000美元/吨二氧化碳，占电解过程总成本的30–50%。而工业烟气的捕集和纯化成本相对较低，通常在30美元/吨二氧化碳以上。因此，DFGE技术不仅能够降低二氧化碳捕集和纯化的成本，还能通过减少能耗和提高资源利用率，进一步提升其经济性。然而，尽管DFGE在经济性方面具有优势，其实际应用仍需克服一系列技术瓶颈，如催化剂的稳定性、反应效率的提升以及系统集成的优化等。

在这一背景下，本文系统回顾了DFGE技术的发展现状，重点探讨了如何设计高效且选择性高的电催化剂，以应对低浓度二氧化碳环境和复杂杂质气体的挑战。同时，本文还分析了DFGE技术的经济性，将其与传统的eCO?RR技术进行了比较，指出了DFGE在实际应用中的优势和潜在问题。此外，本文还展望了未来DFGE技术的发展方向，包括催化剂结构的创新、复杂反应机制的深入研究、电解槽系统的优化等，为推动这一技术的产业化提供了理论支持和实践指导。

总体而言，DFGE技术作为一种新兴的碳捕集与利用（CCU）手段，具有广阔的应用前景。然而，要实现其大规模商业化，仍需在催化剂设计、反应机制研究、系统优化等方面进行深入探索。通过不断的技术创新和系统优化，DFGE有望成为解决全球碳排放问题的重要工具，为实现碳中和目标提供新的解决方案。