科學家破解CO₂轉化難題！酸蒸氣技術讓反應器壽命暴增50倍

萊斯大學研究團隊近期在《Science》期刊發表一項突破性發現，他們利用一種出人意料的簡單方法——讓二氧化碳透過酸性起泡器，顯著提高了電化學裝置的穩定性，這類裝置專門用來將二氧化碳轉化為有用的燃料和化學品。

這項研究解決了二氧化碳還原系統中最大的挑戰：氣體流道中的鹽類堆積問題。傳統系統由於碳酸氫鉀鹽結晶堆積，往往在數百小時內就會失效。研究團隊開發的「酸濕潤二氧化碳」技術，讓系統運作壽命延長超過50倍，在放大版反應器中實現超過4,500小時的穩定表現，這對該領域來說是重大里程碑。

電化學二氧化碳還原(CO₂RR)是種新興的綠色技術，利用電力(最好是再生能源)將溫室氣體二氧化碳轉化為一氧化碳、乙烯或醇類等有價值的產品，這些產物可進一步精煉成燃料或工業原料，等於是把汙染物變成資源。

研究通訊作者、萊斯大學化學與生物分子工程學系副教授王昊天解釋：「鹽類沉澱會阻礙二氧化碳傳輸，並導致氣體擴散電極浸水，最終使系統失效。傳統方法系統通常在幾百小時內就會故障，遠達不到商業化要求。」

研究團隊採用了一個巧妙改良的常見技術：不是用水濕潤進入反應器的二氧化碳氣體，而是讓氣體透過鹽酸、甲酸或乙酸等酸性溶液。微量的酸蒸氣被帶入陰極反應室，剛好足以改變區域性化學環境。由於這些酸形成的鹽類溶解度遠高於碳酸氫鉀，不會結晶堵塞流道。

測試結果令人驚艷！使用銀催化劑(將二氧化碳轉化為一氧化碳的常見基準)時，實驗室規模裝置穩定運作超過2,000小時，而100平方公分的放大電解槽更達到4,500小時。相較之下，使用傳統水濕潤二氧化碳的系統因鹽堆積約80小時就失效了。

特別值得注意的是，這項技術適用於多種催化劑型別，包括氧化鋅、氧化銅和氧化鉍等，這些催化劑可針對不同CO₂RR產物。研究也證明該方法可規模化應用，大型裝置仍能保持能源效率，長時間運作也不會發生鹽堵塞。

共同第一作者、萊斯大學博士後研究員郝少雲說：「我們假設——並證實——酸蒸氣能溶解鹽類，將低溶解度的KHCO₃轉化為高溶解度鹽，微妙改變溶解度平衡，既能避免堵塞又不影響催化劑效能。」

這項突破性發現為打造更耐用、可規模化的二氧化碳電解槽開啟大門，對碳捕獲與利用策略的工業化應用至關重要。由於只需對現有濕潤裝置進行微小調整，這項技術無需重大重新設計或額外成本就能實施。

另一位共同第一作者、萊斯大學研究生Ahmad Elgazzar強調：「我們的技術用低成本、易實施的方案解決了長期存在的障礙，讓碳利用技術朝商業可行性和永續性邁進一大步。」

這項研究獲得Robert A. Welch基金會、萊斯大學、美國國家科學基金會和大衛與露西爾·帕卡德基金會支援。

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