电解还原二氧化碳技术的研究进展

单明礼

【摘要】将温室气体二氧化碳电解还原为有用的化学产物，不但可以有效减少目前困扰全球的温室效应，而且可以变废为宝，实现能源的循环利用。目前电解还原二氧化碳技术已经取得了长足发展，但是仍然存在着很多问题。

【关键词】二氧化碳 电解还原 化学产物

1电解还原二氧化碳技术简介

目前，减少空气中二氧化碳含量的方法主要有四大类：（1）提高能源的利用率；（2）开发低碳新能源体系，例如太阳能、风能和核能等；（3）捕获收集大气中的二氧化碳并对其进行地质学意义上的隔离；（4）开发利用二氧化碳，将其转化成有用的化学产品。化学转化往往需要很高的能量进行推动，因此，开发利用二氧化碳最大的困难来自于它与生俱来的稳定性。开发利用二氧化碳的关键点有两个，即用最少的能量推动使其完成转化并且在该过程中没有新的二氧化碳产生。

在众多的转化二氧化碳的方法中，电解还原二氧化碳法（ERC）优势明显，特别是以下几点值得注意：（1）电解还原二氧化碳在常温下即可进行，电解组件可以循环利用。（2）将再生能源作为电能来驱动二氧化碳的转化，转化过程中没有新的二氧化碳的产生。因此，该方法也可以看做是一种再生能源的储存途径。（3）可以通过调节催化剂、电解质和反应电压来实现电解还原二氧化碳的反应进行控制，得到我们的目标产物。未来ERC技术的研发进展将主要依赖于新型电化學设备上的技术进步。

目前，ERC技术讨沦的主要方面集中在转化效率和经济性，主要的攻关技术为提高电解池核心组件的性能。同时，人们也认识到ERC的反应方式和反应路径根据条件不同而不同，转化成的化学品也种类繁多，包括一氧化碳、甲酸、草酸、甲醛、甲醇、甲烷、乙烯、乙醇及一些其它的重要的化工产品（丙酮、羟丙酮、丙醇等）。近年来，广泛而深入的研究集中在了电解还原二氧化碳反应的金属催化剂上，目前应用较为广泛的有金属箔片催化体系、金属纳米粒子催化体系和有机金属复合物催化体系。ERC技术中的关键点需要特别注意，例如反应机理、反应速率、涉及的热力学反应和电化学反应，以及与之相关的标准化学电位。ERC反应非常复杂，其反应产物通常是不可控的，而且反应产物也不是单一的产品，而是多种产品的混合物。因此，ERC技术的最大挑战还是其实际应用并不理想，需要研发新型的催化剂和电解组件，以降低其生产成本，并有效的提高其电解效率和稳定性。

2 二氧化碳光电解还原

在众多的二氧化碳还原技术中，光电解还原二氧化碳技术因其环保性越来越引起人们的关注。在2012年，Panasonic发明了一种人工光合作用系统将二氧化碳转化成了甲酸，且传化率达到了创纪录的0.2%。该技术的核心内容为镓合金光电阳极来驱动锢合金的光电阴极。该转化效率与植物在光合作用中二氧化碳的转化效率是具有可比性的。该系统的关键特征是含氮半导体器件的应用，让设备的运行更加简单有效。在这之前，人工光合作用系统的结构非常复杂，常用的器件主要为有机复合物和多光电极，对光源的响应效率很低。Panasonic的人工光合作用系统不但简单高效，而且可以对太阳光或聚焦光直接利用。含氮半导体器件在光电转化及能量储存领域的优异表现越来越引起人们的注意，其潜在的应用范围甚至超过了传统上的其他固体设备。更值得一提的是，它能够用作光电极来还原二氧化碳。如果将含氮半导体经制片过程将其结构化，做成薄片电极，其性能将更加突出。此时，在ERC技术中，二氧化碳的还原反应将发生在与半导体电极相对位置上的金属电极上。金属催化电极在反应加速的选择性上扮演者重要角色。

光电化学体系的另一个研究方向是用光伏发电作为能源驱动以金属为电极的电解池。在2014年Bocaorsly的研究团队以多晶硅光伏发电为能源来驱动以锢合金为阴电极的电化学转化体系，并以二氧化碳转化成甲酸为例研究了其转化率。独立的光伏发电体系与光电化学单元的结合让复杂的化学反应得以实施，包括二氧化碳的多电子还原反应。

温室效应逐年加重，其引起的环境变化和气候异常对人们的生活和财产造成了严重的威胁，减少温室气体排放已成为全球共识。因此，二氧化碳的电解还原不但有助于减少温室效应，还能变废为宝，实现资源的循环利用，其应用前景一片光明。

参考文献：

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