【原】《EES》：创纪录的乙醇收率！先进制造工艺助力二氧化碳处理

背景

迄今为止，已发表的有关减少CO₂的电化学反应器的报告都集中在依赖于传统制造方法的部件上，这些方法需要大量时间和资源。CO₂R技术的工业应用将取代化学和石化行业当前阶段的生产量，并且为模块化电解槽制造数百万个具有高精度和可重复性的系统组件。先进制造（AM）是克服这些局限性的一种有前途的方法，因为它可以通过亚微米级的控制实现反应器组件和零件的快速原型制作和迭代。AM的这些优势带来了用于储能的新型材料和设备、光学、药物输送和碳捕集应用。然而，很少有研究采用先进制造（AM）进行电化学反应器设计，迄今为止还没有研究用于减少电化学CO2的研究。先进制造（AM）是一种非常吸引人的方法，可用于创建用于化学合成的新型电化学系统。

 

研究的问题

在这项工作中，来自美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室、美国斯坦福大学、美国SUNCAT界面科学和催化中心等单位的研究人员报道了AM在快速进料的反应器设计演变过程中的快速开发和测试，以改善二氧化碳还原反应的性能。这项工作强调了增材制造技术在加速反应堆设计，理解控制现象以及提高催化系统性能方面的前景。相关论文以题为“Advanced manufacturing for electrosynthesis of fuels and chemicals from CO2”发表在Energy & Environmental Science。

论文链接：

https:///10.1039/D0EE03679J

在最终设计中，通过入口CO₂流量和电化学势观察各种操作条件下的激活控制和混合控制方式。此外，定义了无量纲数（Da），以通过探索假设的潜在质量传输机制的影响来识别质量传输方式，这些潜在的质量传输机制包括通过OH^-消耗CO₂、局部温度升高以及电解质部分渗透到气体扩散层中。反应器设计和开发速度的加快导致较高的几何电流密度（500 mA/cm²），更高的选择性（85.5％FE C₂₊产品），升高的二氧化碳转化率（16.6％）和阴极能效（49.6％CO₂R） 。与文献报道相比，使用AM蒸气供料反应器，可以获得很高的乙烯（3.67％）和创纪录的乙醇（3.66％）收率。

图1.AM在电化学反应器设计中的优势

 

图2.（a）是各种流速下CO₂R分电流密度与总电流密度的函数关系。（b）各种流量下电化学CO2转化率与总电流密度的函数关系。（c）含氧化合物与碳氢化合物的比例与流速和电流密度的关系。

 

图3.（a）在以下温度下对0-碳（H­）、1-碳（CO，HCOO-，CH₄）、2-碳（C₂H₄，C₂H₅OH，CH₃COO，CH₃CHO）和3-碳（C₃H₇OH）产物的选择性不同的电流密度。（b）所选产品和CO₂R的部分电流密度以及总电流密度，取决于所施加的阴极电势。

 

图4.电解过程中在10 sccm下测量的CO2R和HER阴极温度。

 

图5.（a）块状PTFE上乙醇/水混合物的接触角测量值。（b）计算的气-液-固界面处的最大乙醇浓度随总电流密度的变化而变化。

 

图6. Da的等高线图，等高线在的质量迁移极限边界附近Da ~ 1（Da = 0.75-1.25），代表气-液界面处CO₂浓度的两个条件，对应于（a）33 mM（ 25 1C）和（b）21 mM（45 1C）

 

图7.（a）乙烯和（b）乙醇收率随部分电流密度变化的文献资料与此项工作的比较。

 

这项工作介绍了使用先进制造技术进行化学生产的新范例。重点介绍了AM通过反应器设计来加速改进和发展CO2电解槽的前景；使用3D打印而非常规加工可以通过快速迭代显着改善活性、选择性、产量和能源效率。除了电极和电解质工程外，还实现了反应堆设计，这是减少CO2的关键变量。从这项工作中获得的经验可用于所有蒸汽供料反应堆，以提高性能并增进了解。这种设计策略的潜力可能会导致特性良好且可扩展的系统，尤其是在与计算工作和技术经济分析相结合的情况下。此外，预计AM用于确定性电极、催化剂和膜开发的实施。这项工作首次证明了AM作为创造强大的气供反应器和组件以实现高性能CO2减少的目的。作者乐观地认为，AM将把该方法转变为催化系统的设计，并推动用于下一代化学合成的新型反应器的设计。（文：SSC）