面朝大海：西安交通大学郭烈锦院士团队推动太阳能驱动还原二氧化碳制碳氢燃料与海水协同利用

第一作者：白生杰

通讯作者：郭烈锦

单位：西安交通大学

太阳能驱动CO₂还原转化为碳氢燃料和高值化学品技术在降低碳排放的同时，实现温室气体CO₂的资源化和循环利用，因此被视为一种“碳中和”技术。目前已报道的CO₂还原反应研究工作中，主要采用基于超纯水的单一电解质水溶液作为电解液和质子源，然而在实际产业化应用中，超纯水的获取成本较高并且伴随额外的能量和资源损耗，导致其不利于工业化推广。

因此，开发基于海水、污水、河湖水等实际水质的CO₂还原反应体系是该技术产业化进程中不可绕过的问题。相对于淡水资源的匮乏，大量的海水资源还有待利用开发。因此，开展基于海水的太阳能驱动CO₂还原研究是一项实现碳减排和高效海洋资源利用的环境和经济双赢的策略。

基于此，来自西安交通大学的郭烈锦教授团队在国际知名期刊《Applied Catalysis B: Environmental》上发表了题为“On Factors of Ions in Seawater for CO₂ Reduction”的研究文章。

作者基于海水和海水基电解液进行了电催化CO₂还原研究，重点研究了海水中各离子组分对于CO₂还原反应的影响机制，从海水中各离子的类型、浓度以及多离子耦合环境三个方面逐步剖析了海水作为CO₂还原电解液的有利和不利因素。提出了海水中多离子耦合环境在CO₂还原反应过程的多层级促进机制。继而将优化后的海水电解液应用于光伏驱动的气体扩散电极反应系统，实现太阳能驱动海水基CO₂还原转化。

作者发现，以海水原液直接作为电解液进行电化学CO₂还原反应时，海水中的钙、镁离子会逐渐在铜电极表面形成难溶物质限制电流的传输和反应物的供应，从而阻断CO₂还原反应。

图1 海水原液中的电催化CO₂还原反应

要点二：海水中离子种类及离子浓度对于CO₂还原反应的影响因素分析

半径较大的钾离子因其具有更强的缓冲能力，因而比钠离子更能促进CO₂还原选择性。溴离子因其在电解液中较高的溶解度和铜电极表面的特性吸附能力从而在电催化反应中呈现出更高的电流密度和CO₂还原选择性。此外，通过分析不同的氯离子和钠离子（海水中浓度最高的阴/阳离子）的浓度下的电催化CO₂还原反应性能可知，最佳的离子浓度范围为0.05~0.3 M.

图2 不同离子浓度下的电催化CO₂还原反应

要点三：海水多离子耦合环境中的层级效应在CO₂还原反应中促进机制

基于上述单一离子种类和浓度的分析，作者提出了海水中的多离子耦合环境中存在的层级效应 (hierarchical application) 可以有效促进CO₂的还原转化。

（1）内层的氯、溴离子与表面铜原子存在特性吸附，可以使铜电极表面粗糙化并在局部产生有利于CO₂还原反应的Cu⁺活性物质；

（2）处于双电层中的钠、钾离子可以形成水化离子，起到缓冲作用以稳定局部的质子和碳源供应；

（3）高离子强度和活度系数的硫酸根离子主要作用于体相电解液以降低电解液中的欧姆极化损失。

图3 海水多离子耦合环境中的层级效应

要点四：基于海水的光伏耦合GDE电催化CO₂还原反应系统

将去除钙镁离子的海水电解液进一步浓度优化，用于光伏驱动的气体扩散电极电解系统，实现直接太阳能驱动海水基CO₂还原转化。在16个小时的测试中，该系统可以得到9.88%的太阳能到燃料的转换效率，其中太阳能到碳基燃料的能量转换效率可达6.15%。

图4 室外光伏耦合GDE电解槽中的CO₂还原反应

On Factors of Ions in Seawater for CO₂ Reduction

郭烈锦院士简介：中国科学院院士，世界科学院院士，工程热物理与能源利用学家，我国能源动力多相流及氢能学科的主要学术带头人，主要从事能源动力多相流及氢能科学技术研究。现任西安交通大学教授、博导，动力工程多相流国家重点实验室主任，国际清洁与可再生能源研究中心创始主任，西安交通大学新能源科学与工程专业创始及学科带头人，国家自然科学基金项目“能源有序转化”基础科学中心负责人。

国际能源光电子学杂志、工程热物理学报副主编。还是国际氢能、国际多相流、国际传热传质、eScience等期刊的编委及顾问编委会委员，ICMHT委员、ICeM通讯委员、国际氢能学会IAHE 7人奖励委员会成员等。以第一完成人获国家自然科学二等奖2项、国家技术发明二等奖1项、首届全国创新争先奖、高等院校“十大科技进展”奖、陕西省教学成果特等奖等。

白生杰简介：西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室在读博士生。主要研究方向为太阳能驱动的光电催化CO₂还原制碳氢燃料。先后在Appl. Catal. B-Environ.，eScience，Electrochem. Energy Rev.等国际期刊发表SCI论文，获得国家发明专利授权2项。

动力工程多相流国家重点实验室：http://mfpe.xjtu.edu.cn

西安交通大学国际可再生能源研究中心：http://ircre.xjtu.edu.cn/

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