资源化利用二氧化碳有了新“膜”法

记者28日从南开大学获悉，该校电子信息与光学工程学院罗景山教授课题组在酸性膜电极电催化二氧化碳还原领域取得新进展。团队创新采用多孔膜替代传统离子交换膜，在酸性条件下实现了高选择性、长稳定性的电催化二氧化碳转化，为二氧化碳资源化利用提供了新的解决方案。研究成果已于近日发表于《自然·通讯》。

据了解，二氧化碳是主要的温室气体，将其“变废为宝”是实现“双碳”目标的关键。零间隙膜电极电解槽是实现二氧化碳高效转化的重要技术，但其运行中长期面临析盐、渗水及析氢副反应等问题，导致系统稳定性与碳利用率难以兼顾。

“就像日常生活中烧水壶结水垢一样，电解槽中出现的‘水垢’容易堵塞管道、损坏设备，导致反应很快中断、不稳定。”团队成员、南开大学电子信息与光学工程学院2022级博士生魏世蕾解释道。

针对这一挑战，团队提出更换核心“过滤部件”，采用多孔膜替代传统离子交换膜，构建酸性体系下的零间隙膜电极电解槽，选用合适孔径与适当亲水性的多孔膜实现物质传输平衡，从根本上改善反应环境。这一设计有效抑制了析盐与析氢副反应，使系统在高电流密度下仍能保持优异性能。

实验表明，在酸性电解液条件下，多孔膜电解槽在400mA cm⁻²电流密度下，一氧化碳法拉第效率达85%，远高于离子交换膜系统的不足20%。该系统在连续运行200小时的测试中表现稳定，二氧化碳还原产物中一氧化碳比例接近100%，副产物极少且无析盐现象。在100cm²大面积电解槽中，该技术仍能稳定运行超过120小时，一氧化碳比例保持约90%，展现出良好的可扩展性与工业应用潜力。

“简单来说，换上多孔膜之后，不仅不会结‘水垢’，而且还能在更大的设备中稳定运行，这意味着它有潜力进行工业化大规模生产。”魏世蕾说。

“这项成果为酸性膜电极二氧化碳还原电解槽提供了新的膜使用及设计策略，为未来实现高附加值碳基燃料与化学品的电合成奠定了基础。”罗景山表示，团队始终致力于解决二氧化碳转化中的科学难题，未来将进一步优化电极界面设计，积极推进实验室的二氧化碳电解技术向工业化转化。

（南开大学供图）