近日，國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Chem Catalysis》以“Direct oxygen-containing simulated flue gas electrolysis over amine-confined Ag catalyst in a flow cell”為題，在線報(bào)道了我校材料科學(xué)與工程學(xué)院清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)在直接模擬含氧煙道氣電還原領(lǐng)域的最新研究成果。

可再生能源驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)CO₂還原技術(shù)是生產(chǎn)增值碳產(chǎn)物的有效途徑。研究團(tuán)隊(duì)的前期研究結(jié)果在CO₂選擇性、轉(zhuǎn)化率方面取得了階段性進(jìn)展，單碳或多碳產(chǎn)物選擇性最優(yōu)可達(dá)90%以上，在150 sccm的CO₂流速下轉(zhuǎn)化率可超40%（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202202298; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202217296; Nat. Commun. 2023, 14, 1599; Nat. Commun. 2023, 14, 7681）。然而，CO₂電還原技術(shù)工業(yè)化的主要經(jīng)濟(jì)障礙是電能和CO₂進(jìn)料成本，由于可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，電價(jià)成本有望大幅下降；但是大多數(shù)CO₂電還原的研究仍使用價(jià)格昂貴的高純度CO₂來(lái)取得出色的綜合性能，極大程度增加了CO₂電還原的成本。

工業(yè)中獲取純CO₂的主要方法是直接空氣捕獲（DAC）或從煙道氣中進(jìn)行CO₂的捕獲和利用（CCU）。不論是DAC還是CCU，兩者都需要考慮昂貴的捕獲和提純成本，無(wú)法在工業(yè)中應(yīng)用。最近有研究實(shí)現(xiàn)了CO₂捕獲溶液的直接電解，減少了CO₂的凈化過(guò)程。然而，由于傳質(zhì)速度慢、CO₂的局部濃度低等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)物選擇性和反應(yīng)速率仍十分困難。相比之下，直接電解工業(yè)煙道氣生產(chǎn)含碳化學(xué)品或燃料，對(duì)于CO₂的直接捕集和原位轉(zhuǎn)化具有重要意義。

煙道氣的主要成分為N₂，O₂，CO₂以及少量的SO_x、NO_x和粉塵。然而，由于O₂還原相比于CO₂還原更容易發(fā)生，會(huì)嚴(yán)重影響CO₂的電還原性能。針對(duì)這一關(guān)鍵問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種用于直接模擬含氧煙道氣電還原的有機(jī)胺修飾銀催化劑（Ag-DMA）。純銀催化劑在煙道氣中的CO法拉第效率基本為0%；相比之下Ag-DMA可實(shí)現(xiàn)最高80.6%的CO選擇性，CO部分電流密度為333.7 mA cm^-2。膜電極組件中煙道氣電解可在~250 mA·cm^-2下持續(xù)運(yùn)行，全電池能量效率約為40%。原位光譜和計(jì)算表明，有機(jī)胺修飾不僅增強(qiáng)了CO₂的持久吸附能力，為Ag納米顆粒創(chuàng)建了局域堿性微環(huán)境，而且有效地阻礙了氧還原反應(yīng)中*OOH關(guān)鍵中間體的形成，避免了電子用于驅(qū)動(dòng)氧還原副反應(yīng)。該工作表明，有機(jī)胺修飾催化劑有助于構(gòu)建直接煙道氣電還原的自驅(qū)動(dòng)捕集-轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，為降低CO₂進(jìn)料成本、促進(jìn)CO₂電解產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提供了廣闊的應(yīng)用前景。

該工作主要由材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生孫紀(jì)偉、化工學(xué)院博士生俞婷婷在劉鵬飛副教授、練成教授、楊化桂教授等人的指導(dǎo)下完成。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市“碳達(dá)峰碳中和專(zhuān)項(xiàng)”和上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)等資金項(xiàng)目的資助。

文獻(xiàn)鏈接：https://www.cell.com/chem-catalysis/abstract/S2667-1093(24)00039-3#%20