通过系统工程从二氧化碳排放中高效生产合成气

《International Journal of Hydrogen Energy》：Efficient syngas production from carbon dioxide emissions via system engineering

二氧化碳电解合成（CO?R）通过可再生能源和排放实现可持续化学品与燃料生产，但传统中性电解质系统因（bi）碳酸盐形成导致碳效率受限。本研究提出CO?R与液相氧化过程（LPOP）整合系统，通过热力学有利过程直接回收CO?并循环利用，实现66.9%的CO Faradaic效率、44.6%的碳效率和26.6 GJ/ton的低能耗，较传统系统降低40%能量输入。

　　
二氧化碳电解合成（CO2R）技术作为可再生能源与工业排放协同处置的关键路径，近年来在碳中和背景下备受关注。该技术通过可再生能源驱动，将工业排放的二氧化碳转化为合成气（CO与H2）或其他高附加值化学品，在塑料生产、燃料合成等领域展现出重要应用价值。然而，传统CO2R系统在工程化过程中面临多重挑战，亟需系统性解决方案。Adnan Ozden团队最新研究成果通过创新工艺整合，突破了传统技术瓶颈，为规模化应用提供了新思路。

研究首先剖析了现有中性介质CO2R系统的核心缺陷。传统工艺采用碱性或中性电解质环境，通过氧气析出反应（OER）分离氧气与二氧化碳。然而，CO2与溶液中的OH-离子自发反应生成碳酸氢根（HCO3-）和双碳酸根（H2CO3^2-），这些离子通过质子交换膜（AEM）迁移至阴极区域，重新分解为CO2并混入氧气输出流。这一过程不仅导致约50%的碳资源流失，形成二次污染源，还迫使系统额外配置能耗达20-40%的CO2回收装置，显著制约整体能源效率。

针对上述问题，研究团队提出CO2R-LPOP（液态产物氧化过程）集成系统。该设计创新性地将液态产物氧化过程嵌入电解槽工艺链，构建起闭环的碳循环体系。具体而言，电解槽阴极专司CO2还原反应（CO2R），通过银催化剂（Ag NPs）实现CO2定向转化为CO；而阳极则设置液态产物氧化模块（LPOP），利用Pt/C催化剂将阳极析出的CO2在液相环境中直接氧化为CO3^2-，随后通过水解反应再生CO2并实现高效分离。这种架构打破了传统电解槽需通过额外分离步骤（如膜分离、吸附、解吸）回收CO2的局限，使CO2实现原位再生与循环利用。

实验验证部分揭示了该系统的显著优势。在实验室规模（100 mA/cm2电流密度）下，集成系统展现出66.9%的CO法拉第效率（FE），碳效率提升至44.6%，较传统中性介质系统提高约25个百分点。值得注意的是，系统在26.6 GJ/吨CO的能耗指标下实现性能突破，较常规OER-分离工艺降低40%能量输入。这种效率提升源于双重机制：其一，LPOP模块通过液相氧化将CO2转化为碳酸根离子（CO3^2-），避免其与电解质中的OH-发生竞争反应；其二，液态产物与气态产物在物理相容性上的天然分离，使CO2无需额外处理即可直接回流至阴极反应区。

催化剂体系的设计是系统成功的关键。阴极采用Ag纳米颗粒与全氟磺酸离子交换膜（PFSA）复合催化剂，通过表面修饰调控反应动力学：Ag NPs优先吸附CO2分子并降低其活化能，PFSA链的疏水特性则抑制副反应发生。阳极则配置Pt/C催化剂与特定氧化介质，在富氧环境中将CO2高效氧化为CO3^2-。这种双功能催化剂体系不仅维持了反应选择性，更通过微尺度反应环境的精确调控，将总过电位降低至传统工艺的1/3。

从工程实践角度，该系统通过三重创新实现技术突破：首先，工艺流线重构将传统串联式反应（CO2R-OER）改为并行处理模式，消除产物交叉污染风险；其次，液态-气态分离界面采用梯度渗透膜设计，在分子级别实现产物分离与定向传输；最后，系统集成热-电-化学耦合调控机制，通过温度场与电场协同优化，使整体系统在1V电压下即可达到工业级电流密度。

该研究对能源化学领域产生三方面深远影响：在技术层面，突破了中性介质CO2R系统碳效率上限，为规模化生产提供新范式；在工程层面，创新工艺设计使系统能耗降低40%，投资回收期缩短至8-10年；在环境效益方面，每吨CO生产可减少2.3吨碳排放当量，推动工业排放资源化利用进程。值得关注的是，该技术架构具有模块化扩展特性，未来可整合CO2捕集-转化-利用全链条，形成自给自足的碳循环系统。

当前研究仍面临规模化放大中的工程挑战，例如多级反应器的热平衡调控、梯度膜材料的长期稳定性等问题。但团队通过引入动态过程分析模型，已初步建立工艺参数与设备寿命的关联方程，为工业化部署提供理论支撑。这项突破性研究不仅重新定义了中性介质CO2R的技术边界，更为工业碳捕集与资源化开辟了高效低耗的新路径，对实现联合国2030可持续发展议程中"碳中立"目标具有重要战略价值。