用廢舊電池和溫室氣體能產生負負得正的效果嗎？華中科技大學化學與化工學院夏寶玉教授團隊做到了。他們利用回收的廢舊電池將二氧化碳轉化為具有高經濟價值的甲酸，并打破多項世界紀錄。1月31日，團隊研究成果“質子交換膜系統中持久的CO2轉化”在《自然》刊發。



在電解二氧化碳獲得的二十余種產物中，甲酸具有顯著的經濟價值，在燃料電池、醫藥領域等都有廣泛用途。高效獲得高純甲酸，不僅能夠消耗二氧化碳，還能創造可觀的經濟效益。夏寶玉團隊朝著這個研究方向，歷時近五年，創建了質子交換膜二氧化碳電解系統，讓甲酸的生成率超過93%，并能連續穩定運行5000小時以上，在多項指標上打破世界紀錄。



二氧化碳電解系統及其電化學性能

團隊的研究數據為何能“遙遙領先”？與眾多研究不同的是，團隊采用酸性電解液完成了這一系統。當前電催化二氧化碳還原技術中，研究者使用的電解液大多呈堿性，相當一部分二氧化碳會被堿性電解液吸收并生成大量碳酸鹽在電極表面沉積，大幅降低轉化效率和壽命。“采用酸性電解液就能夠極大提升轉化效率。”這是團隊創新提出的一項解決方案。“然而，許多催化劑不耐酸腐蝕，難以高效穩定地進行還原反應。”研究過程中，團隊主要成員房文生不斷嘗試，巧妙地利用回收來的廢舊電池獲得了一種鉛基耐酸腐蝕的二氧化碳還原電催化劑。全新的反應機理讓二氧化碳在電解過程中只產生甲酸和少量氫氣的同時，還實現了極高的轉化效率。不僅如此，這種性能優越的催化劑還能夠實現公斤級甚至噸級的量產，以滿足工業化的需求。




實際運行過程中團隊又遇到了新的問題——電解系統的壽命遠不能達到工業化應用需求。通過深入研究，團隊發現借助水來完成氧化反應會生成陽極副產物，腐蝕系統中關鍵部件——質子交換膜，進而影響整個電解體系的性能與壽命。在能源化學領域多年的研究經驗讓夏寶玉產生了“以氫氣替換水”的想法。這不僅有效避免了質子交換膜的腐蝕，大幅提高穩定性和使用壽命，還極大地減少了系統的耗電量，團隊收獲了意想不到的效果。解決種種困難后，團隊對反應器件構造進行優化設計，最終實現了在3.6V槽壓下20A電流的低能耗高效益電解反應，并能夠連續運行5000小時以上。

“這一技術具有可觀的經濟價值。”夏寶玉說。團隊設計的二氧化碳電解反應器能在高效穩定運行的基礎上實現面積與產量的40倍放大。按照當前市場成本估計，每電解產生1噸甲酸將獲得244美元盈利，并有望實現工業化應用。