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近日，由中國科學技術大學國家同步輻射實驗室姚濤教授團隊與華中科技大學夏寶玉教授團隊等合作，綜合利用多種同步輻射原位技術，在質(zhì)子交換膜二氧化碳轉(zhuǎn)換機制的研究中取得重要進展，并開發(fā)了一種電解系統(tǒng)，利用廢舊電池可將二氧化碳轉(zhuǎn)化為具有高經(jīng)濟價值的甲酸，對于解決能源與環(huán)境問題具有重要意義。相關研究成果發(fā)表于《自然》雜志。
開發(fā)各種碳中和技術，對于解決能源與環(huán)境問題意義重大?；谫|(zhì)子交換膜技術的電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化，可生產(chǎn)高附加值化學品和燃料，并可以大電流、長時間穩(wěn)定工作，是較有前景的實現(xiàn)工業(yè)化碳轉(zhuǎn)換的方式之一。利用同步輻射大科學裝置的多種先進表征技術研究催化劑在服役狀態(tài)下的結構演變和反應機理，對于開發(fā)酸穩(wěn)定的碳轉(zhuǎn)換催化劑和膜電極系統(tǒng)具有重要的科學意義和應用價值。
基于此，研究人員使用廢舊鉛酸電池制備出再生鉛催化劑，并利用再生鉛催化劑在寬pH范圍內(nèi)取得了較高的電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化活性。這種方法在2.2伏特電壓下、連續(xù)工作5200小時的條件下產(chǎn)生甲酸的法拉第效率超過93%，電流密度達到600毫安/平方厘米。
據(jù)了解，為了厘清再生鉛催化劑在電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化反應中的真實活性結構，研究人員發(fā)展并自研了適用X射線吸收譜的膜電極電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化原位裝置，并分別在合肥光源軟X射線磁性圓二色線站和北京光源XAFS線站開展了離線和原位表征。利用原位X射線吸收譜技術，研究人員發(fā)現(xiàn)再生鉛催化劑在電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化的還原電位下發(fā)生了動態(tài)結構演變，金屬態(tài)鉛與碳酸鉛在還原電位下一定比例的共存是最終產(chǎn)生甲酸高選擇性和活性的關鍵因素。
另外，研究人員進一步基于合肥光源原位紅外譜學技術和自研原位紅外裝置，采用碳13同位素標記的二氧化碳開展了電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化的原位紅外研究，發(fā)現(xiàn)碳酸鉛表面的氣態(tài)二氧化碳會首先經(jīng)過表面活化過程進入碳酸鉛晶格，再由晶格中的碳轉(zhuǎn)換成最終的甲酸產(chǎn)物。研究人員結合理論計算揭示了再生鉛催化劑的固相動態(tài)轉(zhuǎn)變誘導晶格碳活化和二氧化碳轉(zhuǎn)化機理。
姚濤表示，這項研究成果可利用回收的廢舊電池把二氧化碳轉(zhuǎn)化為具有高經(jīng)濟價值的甲酸，對碳中和具有重要應用價值。夏寶玉認為，隨著進一步的發(fā)展，這項技術可以用于碳密集型行業(yè)，如化石燃料公司，幫助他們脫碳。下一步，研究團隊希望通過持續(xù)的研究，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為比甲酸更有價值的產(chǎn)品，如乙烯等。
