二氧化碳等溫室氣體過量排放，會導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇，進(jìn)而產(chǎn)生一系列負(fù)面影響。含鉛、鋅等重金屬元素的電池廢棄后，如不妥善處理，也會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生毒害作用。
日前，華中科技大學(xué)夏寶玉團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚濤團(tuán)隊(duì)，以及新西蘭奧克蘭大學(xué)王子運(yùn)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，將廢舊電池和溫室氣體結(jié)合起來，能產(chǎn)生“負(fù)負(fù)得正”的效果。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)使用回收的廢電池，將二氧化碳“加工”成具有較高經(jīng)濟(jì)價值的化工原料甲酸，實(shí)現(xiàn)變廢為寶。相關(guān)研究成果1月31日發(fā)表于《自然》。
夏寶玉教授（前排坐者）及其研究團(tuán)隊(duì)。受訪者供圖
“我們創(chuàng)建了質(zhì)子交換膜二氧化碳電解系統(tǒng)，讓甲酸的生成率超過93％，并能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行5000小時以上，在多項(xiàng)指標(biāo)上打破世界紀(jì)錄。”論文通訊作者、華中科技大學(xué)教授夏寶玉告訴《中國科學(xué)報》。
另辟蹊徑，變廢為寶
含有大量碳元素的化石燃料經(jīng)過一系列反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳。隨著社會快速發(fā)展，化石燃料過度使用導(dǎo)致空氣中二氧化碳濃度逐年遞增，加劇氣候系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。
我國于2020年提出“雙碳”目標(biāo)，方向是逐步調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)綠色可持續(xù)發(fā)展。“通過二氧化碳電解反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為高附加值燃料和化學(xué)品，是一條綠色之路。”夏寶玉說。
資料顯示，二氧化碳電解是在催化劑的作用下，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為相關(guān)化學(xué)制品的技術(shù)，有廣闊的應(yīng)用前景。在諸多電解產(chǎn)物中，甲酸是一種重要的液體化學(xué)原料，在化工、能源、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。高效穩(wěn)定地獲得高純度甲酸，不僅消耗了二氧化碳、改善環(huán)境污染問題，還能改善能源危機(jī)、創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
高效、穩(wěn)定、高純度，這正是研究團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)。此前，雖然已有二氧化碳電解等方面的研究，但電解環(huán)境中各原材料相互“打架”、電解系統(tǒng)壽命短等仍然是未解決的難題。
一次，在校園中散步時，夏寶玉偶然看到一輛有些破舊的電動車。他當(dāng)即想到，市面上常見的電動車，大多選用鋰電池或鉛酸電池供電。而鉛酸電池正是他在此前的研究中關(guān)注過的。
“什么物質(zhì)能在酸性條件下高效穩(wěn)定還原二氧化碳？鉛就是其中之一，但是少有人去研究。”夏寶玉介紹，“近些年，相關(guān)研究中使用的電解液大多呈堿性，這導(dǎo)致很多二氧化碳被堿性電解液吸收，在電極表面生成大量碳酸鹽沉淀，大幅降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率和壽命。”
針對這些難題，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新使用酸性電解液、開發(fā)關(guān)鍵催化材料、設(shè)計(jì)膜電極系統(tǒng)，研發(fā)出新型質(zhì)子交換膜二氧化碳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，顯著提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性和二氧化碳轉(zhuǎn)化效率。
接力挑戰(zhàn)高難度課題
取得這樣的成績，并不容易。研究團(tuán)隊(duì)朝著這個研究方向，深耕了近五年。
“我2019年加入夏老師團(tuán)隊(duì)，接觸到這個研究方向。”論文第一作者、華中科技大學(xué)博士生房文生回憶，“這也是我研究生階段遇到的第一個課題。”彼時，還是碩士生的他并不知道，這是一項(xiàng)多么“艱巨”的任務(wù)。
摸索一段時間后，雖然有了一些知識儲備，“但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠”。“很多人覺得這個方向太難了，要做很多實(shí)驗(yàn)、測大量的數(shù)據(jù)，我也有點(diǎn)兒打退堂鼓。”房文生說。
出于這樣的考慮，他將這個課題暫時擱置。一年后，在夏寶玉的鼓勵下，在積累了更多“實(shí)戰(zhàn)”經(jīng)驗(yàn)后，“撿起來”繼續(xù)推進(jìn)。
實(shí)驗(yàn)過程中團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在酸性較強(qiáng)的溶液中進(jìn)行二氧化碳電解，催化劑通常會面臨嚴(yán)重的析氫現(xiàn)象，同時也會加劇材料的腐蝕難以高效穩(wěn)定地進(jìn)行還原反應(yīng)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
“困難總是有的，需要一個一個地解決。”房文生說。
經(jīng)過不斷嘗試，結(jié)合鉛酸電池帶來的“啟發(fā)”，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)制備出鉛基耐酸腐蝕的二氧化碳還原電催化劑。這種催化劑可以顯著抑制酸性電解系統(tǒng)中的析氫現(xiàn)象，并將二氧化碳單一選擇性地轉(zhuǎn)化成甲酸，轉(zhuǎn)化效率也高達(dá)90％以上。不僅如此，這種性能優(yōu)越的催化劑，還能實(shí)現(xiàn)公斤級甚至噸級的量產(chǎn)，以滿足工業(yè)化的需求。
二氧化碳的高效轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)了，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)卻并不滿足。“這只成功了一半。我們解決了高效的問題，之后還要讓它長時間高效。”夏寶玉說，“穩(wěn)定的系統(tǒng)，是保持高效狀態(tài)的重點(diǎn)。”
為響應(yīng)國家需求層層攻關(guān)
在解決系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的道路上，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件質(zhì)子交換膜常常會被破壞。
電池一般由電極、電解質(zhì)、隔膜等部分組成。其中，隔膜用于陰陽兩級間的離子交換。深入研究后團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，由于電解質(zhì)中含有水，在反應(yīng)過程中，水經(jīng)過氧化產(chǎn)生的副產(chǎn)物雙氧水會腐蝕質(zhì)子交換膜，進(jìn)而影響整個電解體系的性能與壽命。
“原本平整光滑的一張膜，只運(yùn)行了幾百個小時就被腐蝕得破破爛爛，設(shè)備也不能正常運(yùn)行了。”夏寶玉說，“我們想了很多辦法，去解決膜被破壞的問題。”
在能源化學(xué)領(lǐng)域深耕多年的研究經(jīng)驗(yàn)，讓夏寶玉產(chǎn)生了“以氫氣替換水”的想法，讓副產(chǎn)物不再產(chǎn)生。這不僅有效避免了質(zhì)子交換膜的腐蝕，大幅提高穩(wěn)定性和使用壽命，還極大地減少了系統(tǒng)的耗電量，讓團(tuán)隊(duì)收獲了意想不到的效果。
有了這一突破，后續(xù)的測試可以穩(wěn)定進(jìn)行。不過，由于測試儀器的限制，實(shí)驗(yàn)不能“自主”開展，到了測試時長的上限，需要刷新重置才能繼續(xù)。這就得有人一直在旁邊盯著。
星期天，房文生有時不在實(shí)驗(yàn)室，夏寶玉會發(fā)消息問：“文生，裝置怎么在閑著？”
到了放假時間，房文生則會說：“夏老師，我再多留幾天。”
在研究進(jìn)行的幾年里，上面的對話常見于師生之間。
終于，在聯(lián)合團(tuán)隊(duì)的共同努力下，協(xié)同攻關(guān)下，穩(wěn)定性的難題也解決了，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)低能耗高效率電解反應(yīng)，能連續(xù)運(yùn)行5000小時以上，較業(yè)內(nèi)水平遙遙領(lǐng)先。
“通過這項(xiàng)技術(shù)，從二氧化碳到燃料、燃料到二氧化碳、二氧化碳再變成燃料，我們就構(gòu)建了一個人工的碳循環(huán)。在這個過程中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和新西蘭奧克蘭大學(xué)團(tuán)隊(duì)做了許多重要的工作。”夏寶玉說，“我們所做的研究有助于解決廢舊電池處理這個老大難問題，有助于國家‘雙碳’戰(zhàn)的實(shí)現(xiàn)，我們就是想多做些這樣‘經(jīng)世致用’的事。”
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06917-5
本文鏈接：廢舊電池變“燃料” 打破多項(xiàng)世界記錄http://m.lensthegame.com/show-11-2773-0.html
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