高效转化二氧化碳新方法！电解及可逆放电一体化
【化工仪器网 行业百态】随着我国工业化、信息化程度的提高及工业革命以来所形成的产业结构，使我们的工业生产对化石能源产生极大的依赖。但同时，由于煤、石油和天然气等传统化石燃料的过度使用已经在世界引发了一系列亟需解决的环境问题。其中，影响最大的就是所谓的“温室效应”，正是大气中过高浓度的二氧化碳所导致的。
?
节能、降本、增效是所有经济活动永恒的主题之一。国家能源局明确提出，“十四五”时期，我国将全力推进能源领域碳达峰方案落地实施，推动能源绿色低碳转型和高质量发展。“十四五”时期是为力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和打好基础的关键时期，必须协同推进能源低碳转型与供给保障，加快能源系统调整以适应新能源大规模发展，推动形成绿色发展方式和生活方式。因此，充分有效的利用空气中过量的二氧化碳成为目前解决环境以及能源问题的重中之重。
?
碳循环是一个氧化-还原过程，大气中二氧化碳的积累本质是人类活动所引起的碳氧化(燃烧)与还原的不对称性，一定程度上实现减少使用碳或还原使用二氧化碳是实现低碳化的本质。其实，二氧化碳作为一种经济的、安全的、可持续的碳氧资源化合物，将其转化为液体燃料、化学品的发展潜力巨大。
?
但由于二氧化碳化学性质非常稳定，需要施加额外的能量才能够使其活化、转化。目前，在实际工业过程中能够利用二氧化碳的反应不多，通常需要高温、高压等较为苛刻的反应条件，是高能耗、低效率的过程。
?
近年来，电化学还原二氧化碳的研究在世界范围内掀起了热潮，大量的重要成果不断涌现。目前基于电化学方法开展二氧化碳电解合成燃料的主流技术主要包括低温溶液电池、熔融碳酸盐电池(MCEC)以及固体氧化物电池(SOEC)三种。在上述三种技术中，SOEC在高温下将二氧化碳高效地转化为一氧化碳与氧气，可以和可再生电能与廉价热源耦合，综合成本最低。此外，由于固体氧化物电池可分为发电模式和电解池模式，逆反应下还可以将氢气、天然气等燃料化学能转化为电能，因此，在二氧化碳循环高效利用领域极具应用价值。
?
2019年，中国科学院宁波材料技术与工程研究所燃料电池技术团队率先采用平管型结构SOEC开展了二氧化碳电解合成燃料的效率与稳定性研究。结果发现：在氢气与一氧化碳保护下，经过120小时的电解后电池衰减率分别为2.78%与3.84%，电池在一氧化碳、氢气还原氛围保护下表现出了一定的运行稳定性。
?
2020年，团队通过改善电池性能，研究了平管型结构固体氧化物电池电解二氧化碳的长期运行稳定性及其效率。结果显示，在750℃下，二氧化碳与氢气浓度分别为75%与25%的气氛环境中，以特定恒定电流密度电解二氧化碳运行接近2000小时，刷新此前公开文献介绍的最长运行时间，衰减率为每千小时4.9%。
?
2021年底，团队联合浙江氢邦科技有限公司，启动二氧化碳电解及其可逆放电一体化的研制工作，于2022年3月份初步研制成功。所谓“电解及可逆放电一体化”，顾名思义，是指设备样机可以通过设置程序模式实现两种模式交替操作，从而实现电能-化学能-电能的交替转变。并且由于固体氧化物电池中镍基电极的多燃料适用性，燃料包括CO2、CO、CH4、NH3等气体，该设备既可以催化电解二氧化碳，还可以用于电解水制氢。
?
为了使样机电解二氧化碳的同时可实现电解水以及甲烷湿重整，团队还自主研发了适用于燃料电池发电模式下的汽化器，同时研制了超低流阻、低成本、高性能换热器，主要用于尾气能量的回收处理。目前，该5千瓦级可逆一体机造价在100万元左右，其中核心部件电解池预计寿命在20000小时，因成本低，属于易耗部件，可定期更换，该装备寿命总体可达10年以上。
?
如今，二氧化碳的还原和利用备受各方的广泛关注，作为一种重要的温室气体和工业生产中普遍生产的废气，对其进行资源化利用对于环境和工业生产来说均意义重大，是近年来人们不断努力的方向。尽管5千瓦级固体氧化物电池可逆一体机要想在短时间内实现商业化，还需要克服装备成本偏高等问题，但可以相信，随着未来团队继续对电池的波动性、可逆性进行深入研究，固体氧化物电池各方面性能也将被提升。该项设备的开发，为国内二氧化碳资源循环利用提供了新的技术路线参考。
?
(资料参考来源：宁波材料技术与工程研究所、科技日报)
