(SeaPRwire) –   香港, 2024年1月22日 — 全球变暖继续对人类社会和生态系统构成威胁,二氧化碳占主导气候变暖的温室气体总量的最大比例。为了应对气候变化并实现碳中和目标,香港理工大学(理工大学)的研究人员开发了一种耐用、高选择性和高效的二氧化碳(CO2)电还原系统,可以将CO2转化为乙烯用于工业目的,提供有效解决减少CO2排放的方案。这项研究最近在瑞士日内瓦举办的第48届国际发明展览会上获得金奖。

乙烯(C2H4)是全球需求最大的化学品之一,主要用于生产聚乙烯等聚合物,再用于生产日常生活中常见的塑料和化学纤维,例如购物袋。然而,乙烯仍主要来源于石化原料,其生产过程会产生很大的碳足迹。

理工大学应用物理学系主任、材料科学讲座教授刘振邦教授领导的研究小组采用电催化CO2还原方法——利用绿色电力将二氧化碳转化为乙烯,提供一种更环保的替代性和稳定的乙烯生产方式。研究小组致力于推广这一新兴技术,将其带入大规模生产阶段,实现封闭碳循环和最终达成碳中和。

刘教授的创新点在于不再使用碱金属电解质,而是使用纯水作为金属免电解质,以防止碳酸盐形成和盐沉积。研究小组将其设计称为APMA系统,A代表阴离子交换膜(AEM),P代表质子交换膜(PEM),MA表示所得膜组合件。

当使用含有APMA和铜催化剂的无碱金属离子电池堆构建时,它可以以50%的高选择性产生乙烯。该系统也能在工业级电流10A条件下连续运行超过1000小时——远远超过现有系统的运行寿命,意味着该系统可以轻松扩展到工业规模。

进一步测试表明,碳酸盐和盐的形成被抑制,CO2和电解质没有损失。这一点至关重要,因为采用双极膜而非APMA的前期电池会因碱金属离子从阳离子膜向电解质扩散而导致电解质损失。之前使用酸性阴极环境系统中产生的与乙烯竞争的氢气问题也得到了最小化。

该过程的另一个关键特征是专门的电催化剂。铜广泛应用于化学工业中的各种反应催化。然而,研究小组使用的特定催化剂利用了一些独特的特征。数以百万计的纳米级铜球拥有丰富的表面结构,具有台阶、堆叠缺陷和晶粒边界。这些“缺陷”相对于理想金属结构提供了有利的反应环境。

刘教授表示:”我们将继续优化,提高产品选择性,并寻求与工业界合作机会。很明显,APMA电池设计为绿色生产乙烯和其他有价值化学品奠定了基础,可以助力减少碳排放并实现碳中和目标。”

这项理工大学创新项目是与来自牛津大学、台湾国家同步辐射研究中心以及江苏大学的研究人员进行合作开展的。

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