生物质电氧化耦合碳酸氢盐电解实现低电压高效制备高值化学品

研究人员针对传统碳酸氢盐电解(BCE)因氧析出反应(OER)所需理论电压过高导致能量效率低下的问题，开发了金纳米颗粒嵌入氧化镍-多壁碳纳米管(Au-NiO-CNT)复合催化剂，将甘油电氧化反应(GEOR)替代OER与BCE耦合。该体系在150 mA cm-2电流密度下工作电压降低890 mV，同时实现86.7%的CO选择性和25.5%的乙醇酸(GCA)选择性，能耗降低16%，为碳捕获与高值化学品联产提供了新思路。

　　

在全球碳中和背景下，如何高效利用捕获的CO₂和可再生生物质资源是当前研究的重点难点。传统碳酸氢盐电解技术虽然可以直接转化捕获的CO₂，但受限于阳极氧析出反应(OER)的高理论电压(1.23 V)，导致整体能耗居高不下。与此同时，生物炼制副产物甘油的价格持续走低，亟需开发高值化转化途径。针对这两大挑战，研究人员创新性地提出将甘油电氧化反应(GEOR)与碳酸氢盐电解(BCE)耦合的策略，通过替代高能耗的OER来降低系统电压，同时实现CO₂和甘油的双重资源化利用。

韩国科学技术院的研究团队设计开发了金纳米颗粒嵌入氧化镍-多壁碳纳米管(Au-NiO-CNT)复合催化剂，系统研究了其在碱性条件下催化GEOR的反应机制与性能。通过调节KOH浓度、进行原位拉曼光谱和电化学阻抗分析，揭示了碳纳米管增强导电性促进α-Ni(OH)₂形成，进而提供Ni-OH活性位点选择性氧化甘油生成乙醇酸(GCA)的机理。最终构建的BCE-GEOR联产系统展现出显著的节能优势和高附加值产品产出。该成果发表在《Applied Surface Science Advances》期刊。

研究采用的主要技术方法包括：透射电子显微镜(TEM)和能量色散X射线光谱(EDS)表征催化剂形貌和元素分布；X射线光电子能谱(XPS)分析表面化学状态；原位拉曼光谱追踪反应过程中催化剂结构演变；电化学阻抗谱(EIS)评估电荷转移特性；高效液相色谱(HPLC)定量分析液相产物；气相色谱(GC)检测气体产物。

催化剂表征与性能优化部分显示，Au-NiO-CNT催化剂中3.38 nm的金纳米颗粒均匀分散在NiO载体上，与多壁碳纳米管形成良好接触。引入4 wt%碳纳米管使催化剂在0.9 V vs RHE下的GCA选择性从18.5%提升至35.7%，甘油转化率提高2.8倍。机理研究表明，碳纳米管的加入使电荷转移电阻降低2.6倍，促进α-Ni(OH)₂形成，其Ni-OH基团与甘油伯羟基选择性反应生成GCA。

在反应体系集成方面，研究人员构建了由Au-NiO-CNT/NF阳极、双极膜(BPM)和Ni单原子催化剂(Ni-SAC)阴极组成的电解系统。使用3 M KHCO₃作为阴极电解液，0.1 M甘油+3 M KOH作为阳极电解液时，在150 mA cm^-2电流密度下系统电压较传统BCE降低890 mV，CO和GCA选择性分别达到86.7%和25.5%。经济性评估显示，联产系统单位能耗降低16%，产品总价值提升5.99倍至574.1 $ MWh^-1。系统在100 mA cm^-2下稳定运行20小时，性能衰减主要源于金纳米颗粒的团聚。

该研究通过巧妙的反应耦合和催化剂设计，同时解决了CO₂电解能耗高和生物质甘油附加值低两大难题。提出的Au-NiO-CNT催化剂利用碳纳米管增强的导电性激活NiO载体，创造了丰富的Ni-OH活性位点，实现了甘油在低电位下选择性氧化为高值GCA。BCE-GEOR联产系统不仅大幅降低操作电压，还通过同时生产CO和高值含氧化合物显著提升经济性，为碳捕获利用与生物质转化提供了创新解决方案。未来研究可进一步优化催化剂稳定性并减少贵金属用量，推动该技术向工业化应用迈进。