从排放到价值：多孔固体电解质电解槽中甲酸和绿色氢气生产的技术经济评估

《Energy》：From emissions to value: Techno-economic assessment of formic acid and green hydrogen production in porous solid electrolyte electrolyzers

　　

Omar Nasro|明成黄|阿德南·奥兹登

阿布扎比哈利法大学机械与核工程系，127788，阿拉伯联合酋长国

摘要

电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）可以从二氧化碳排放中生产出多种有价值的化学品。其中，甲酸（HCOOH）特别具有潜力，因为它在氢能经济中扮演着重要角色。新兴的多孔固体电解质（PSE）基CO₂RR系统能够高效地电合成HCOOH。本研究通过探讨关键性能指标和输入参数的成本影响，阐明了用碳密集型HCOOH生产方法替代PSE基CO₂RR系统所需的条件。分析表明，技术经济性对电流密度、全电池电压、法拉第效率（FE）、电解槽堆栈成本、电价以及催化剂/膜/PSE和系统寿命具有高度敏感性，而对HCOOH电合成能力、二氧化碳价格和水价的敏感性则相对较低。可行的HCOOH电合成需要提高电流密度（>400 mA/cm²）、全电池电压（<3 V）和法拉第效率（>85%）。分析还指出，需要延长催化剂/膜/PSE的寿命（>1年）、系统寿命（>15年）以及降低电解槽堆栈成本（<400美元）。

引言

能源密集型过程，如发电、石油化工过程和水泥/钢铁生产，是温室气体排放的主要来源[1]，[2]。大气中二氧化碳（CO₂）浓度超过420 ppm，是导致气候挑战的最大因素之一[3]。二氧化碳转化技术可以在实现可持续生产大宗化学品的同时减少二氧化碳排放[4]。在各种技术中，电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）因其低温操作、分散式运行以及与可再生能源的兼容性而具有特殊前景[5]。

能够选择性产生液态产品的CO₂RR系统具有特定优势，例如反应物二氧化碳的自然回收、便于运输和储存以及高能量密度[6]。在各种液态产品中，甲酸（HCOOH）因其广泛应用于纺织、制药和化工领域而具有特殊潜力[7]。甲酸具有出色的氢携带能力，体积能量密度可达55 gH₂/L[8]。此外，甲酸毒性低且不易燃，便于储存和运输。因此，甲酸在能源存储领域作为氢载体具有巨大潜力[9]。目前，甲酸主要通过甲酸甲酯水解和甲醇羰基化生产，这些过程能耗高且需要特定的反应条件[10]。因此，以节能和低碳的方式实现CO₂RR到HCOOH的转化可以提供一种替代传统生产方法的选择。CO₂RR到HCOOH的转化具有高选择性，因为该过程仅涉及两电子转移，且碳-氢（C–H）键的形成在动力学上比碳-碳（C–C）键更有利[11]。

CO₂RR到HCOOH的反应可以在碳基材料、金属材料[12]、金属氧化物[13]、共价有机框架[14]、无机材料[15]和混合材料[16]上进行催化。特别是p区金属，如锡（Sn）[17]、铋（Bi）[18]和铅（Pb）[19]，在电流密度大于100 mA/cm²时，其法拉第效率（FE）通常可超过80%。通过合金化、杂原子掺杂以及形态和结构工程可以提升金属催化剂的活性和选择性。虽然催化剂层面的发现促进了实际应用的发展，但要实现完全的可行性，还需要降低资本、电力、分离和维护成本。

将创新催化剂集成到设计良好的反应器中，为技术进步打开了大门。CO₂RR到HCOOH的反应已在模块化膜电极组件（MEA）电解槽中实现[20]。MEA电解槽由于其零间隙结构，为高效CO₂RR到HCOOH提供了可能。MEA电解槽还可以配备多孔固体电解质（PSE）[21]，[22]，[23]。这些系统通常采用无阴极设计，阳极室中注入酸性电解质。电解质中不含碱金属离子，确保生成的是HCOOH溶液而非甲酸盐。特别是基于PSE的CO₂RR系统，可以实现75-85%的法拉第效率、100-200 mA/cm²的电流密度、3.2-3.4 V的全电池电压以及1-12 M的HCOOH浓度[21]。这些系统还能再生（生物）碳酸根离子，减少二氧化碳损失并实现接近100%的单次通过转化效率（SPCE）。总体而言，基于PSE的CO₂RR系统能够实现高效率、高产量的浓缩HCOOH溶液电合成。

基于PSE的CO₂RR系统凭借其性能和模块化特点，有望实现HCOOH的生产电气化。然而，由于缺乏技术经济性分析，基于PSE的CO₂RR系统中HCOOH电合成的可行性仍不明确。这一文献空白限制了实际应用的进展，阻碍了关键性能指标（KPIs）和因素的确定。因此，基于易于实现的KPIs和输入参数的全面技术经济性评估对于阐明技术经济性及诊断大规模工业应用的技术/科学里程碑至关重要。

本研究通过考虑绿色氢生产的成本贡献，对基于PSE的CO₂RR系统中HCOOH电合成进行了技术经济性评估。研究探讨了KPIs、输入参数以及组件和系统的特性/寿命如何影响HCOOH电合成的技术经济性。研究确定了每个参数的成本影响，以指导能够最大程度影响技术经济性的研究方向。据此，本文强调了关键研究方向，并提出了实现商业化HCOOH电合成的可行路线图。

章节摘录

基于PSE的CO₂RR系统中HCOOH电合成的动机

CO₂RR到HCOOH的反应可以在H型电池、流动电池和MEA电解槽中进行。H型电池有利于催化剂筛选[24]。然而，实际生产速率下HCOOH的浓缩难度限制了其工业应用价值。流动电池电解槽通过使用气体扩散电极（GDEs）将反应物二氧化碳输送到活性位点[25]，从而实现超过1 A/cm²的HCOOH产率[26]。然而，流动电池存在电压

HCOOH电合成的技术经济性分析

基于PSE的CO₂RR系统中HCOOH电合成的成本分析考虑了所有成本因素。分析通过估算原料二氧化碳（CO₂）、电力、电解质、水、阴极分离、电解槽堆栈、催化剂/膜/PSE、安装、额外工厂运营、维护和工厂平衡（补充材料）的成本来计算HCOOH的成本。在保持其他KPIs和输入参数不变的情况下，分析了每个KPI和输入参数的成本影响

结果与讨论

KPIs和输入参数在技术经济性中起着决定性作用。确定每个参数的成本影响有助于识别目前限制经济可行性的KPIs和输入参数。因此，本节探讨了KPIs和输入参数对HCOOH成本的影响。

结论与展望

本研究考察了基于PSE的CO₂RR系统中HCOOH电合成的技术经济性。分析阐明了KPIs和输入参数如何影响HCOOH电合成的技术经济性。KPIs包括电流密度、全电池电压和HCOOH法拉第效率（FE），而输入参数和系统特性包括电价、水价、二氧化碳价格、电解槽堆栈成本、催化剂/膜/PSE和系统寿命以及HCOOH电合成速率。研究揭示了

CRediT作者贡献声明

Omar Nasro：撰写 – 审稿与编辑、可视化、数据整理。Mingcheng Huang：撰写 – 审稿与编辑、可视化、数据整理。Adnan Ozden：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论设计、数据整理、概念构思

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究由哈利法科技大学资助，项目编号为：KU-INT-FSU-2025-8474000772 和 KU-INT-TU-2025-004-8471000109。