科技日报记者 吴纯新 通讯员 范千
2月1日，记者从华中科技大学获悉，该校化学与化工学院夏宝玉教授团队利用回收的废旧电池，将二氧化碳转化为具有高经济价值的甲酸。相关研究成果日前发表于《自然》杂志。
废旧电池与温室气体能否负负得正？这是夏宝玉团队一直在探索的问题。
据介绍，电解二氧化碳可获得二十余种产物。其中，甲酸具有显著经济价值，在燃料电池、医药领域等有广泛用途。高效获得高纯甲酸，不仅能消耗二氧化碳，还能创造可观的经济效益。
夏宝玉团队朝着这个研究方向，历时近五年，创建了质子交换膜二氧化碳电解系统，让甲酸的生成率超过93%，并连续稳定运行5000小时以上，取得良好实验结果。
该团队的研究数据为何能“遥遥领先”？与众多研究不同的是，团队采用酸性电解液完成了这一系统。当前，电催化二氧化碳还原技术中，研究人员使用的电解液大多呈碱性，相当一部分二氧化碳会被碱性电解液吸收并生成大量碳酸盐在电极表面沉积，大幅降低转化效率和寿命。
“采用酸性电解液就能极大提升转化效率。”该团队创新提出一项解决方案。然而，许多催化剂不耐酸腐蚀，难以高效稳定地进行还原反应。研究过程中，团队主要成员房文生不断尝试，巧妙利用回收来的废旧电池获得一种铅基耐酸腐蚀的二氧化碳还原电催化剂。
全新的反应机理让二氧化碳在电解过程中只产生甲酸和少量氢气的同时，还实现极高的转化效率。不仅如此，这种性能优越的催化剂还能实现公斤级甚至吨级的量产，以满足工业化需求。
但实际运行过程中，研究团队又遇到新的问题，即电解系统的寿命远不能达到工业化应用需求。
通过深入研究，该团队发现借助水来完成氧化反应会生成阳极副产物，腐蚀系统中关键部件——质子交换膜，进而影响整个电解体系的性能与寿命。
随后，夏宝玉推出“以氢气替换水”思路。这不仅有效避免质子交换膜的腐蚀，大幅提高稳定性和使用寿命，还极大减少系统的耗电量，收获了意想不到的效果。解决种种困难后，团队对反应器件构造进行优化设计，最终实现在3.6V槽压下20A电流的低能耗高效益电解反应，能连续运行5000小时以上。
“这项技术的经济价值十分可观。”夏宝玉说，团队设计的二氧化碳电解反应器能在高效稳定运行的基础上实现面积与产量40倍放大。按照当前市场成本估计，每电解产生1吨甲酸，就将获得244美元盈利，并有望实现工业化应用。
（受访单位供图）
