质子交换膜二氧化碳转化系统

主要完成人：夏宝玉、房文生、郭巍

随着全球经济增长和社会快速发展，化石燃料过度使用引起空气中二氧化碳浓度逐年递增，从而导致严重的环境污染与气候变化问题。二氧化碳电解技术可以在可再生电力驱动下将二氧化碳转化为高附加值化学品和燃料。因此，可以作为一种新型负碳技术用于构筑人工碳循环体系，推进“碳达峰、碳中和”战略实施以及社会与环境可持续发展。

图为质子交换膜二氧化碳电解系统性能图。

在诸多二氧化碳电解产物中，甲酸是一类重要的液体化学原料，在化工、医药、农业和能源等领域都有着广泛应用。同时，甲酸作为氢源存储媒介，可以大大缓解可再生能源波动性的问题。然而电解反应中涉及多步质子电子转移过程，并且存在严重的析氢副反应，导致电解系统中产物效率与选择性不佳。当前主要采用碱性电解液用于抑制二氧化碳电解中的析氢副反应，但同时碳酸盐沉积和穿梭问题也严重影响了电解系统的服役水平与寿命。针对上述难题，在国家杰出青年科学基金、科技部重点研发计划等项目，以及华中科技大学等各方面的大力支持下，华中科技大学夏宝玉教授团队开发了新型质子交换膜二氧化碳电解系统。团队通过关键催化材料开发、膜电极系统设计，以及电极反应协同优化等策略，实现了二氧化碳电解器件高效长寿命服役。在2.2 V槽压下获得了超过600mAcm-2的电流密度，甲酸选择性超过了93%，碳损失率小于1%，并能连续稳定运行5000小时以上，打破了当前在电催化二氧化碳还原领域的长寿命系统壁垒。此外，该电解系统在规模化放大实验中实现了在3.6V槽压下总电流超过20A，甲酸法拉第效率在90%以上。

图为晶格碳固相活化转化机制示意图。

研究团队结合密度泛函理论计算以及同位素示踪实验，揭示了动态二氧化碳转化过程中的新规律，提出了“晶格碳固相活化转化机制”。此项研究大大推进了二氧化碳电解技术发展，同时为实施“双碳”战略提供了材料基础和技术支持，是推动“双碳”目标实施的重要进展。研究成果得到了国家自然科学基金委员会、新华社、Nature、中国科学报、My NEWS、CHINA DAILY、长江日报和光明网等新闻媒体的重点报道。Nature高级编辑Magdalena Helmer和华盛顿大学焦峰教授在Nature专题简报中对本研究给予了高度评价，认为该研究在二氧化碳电解领域取得了实质性进展，是朝着二氧化碳电解实用性迈出的鼓舞人心的一步。

夏宝玉教授于2016年加入华中科技大学化学与化工学院，近年来主要从事能源化学、材料化学等领域的教学与研究工作，团队近年来在包括Nature、Science等国际期刊发表学术论文80余篇。团队依托华中科技大学化学与化工学院、材料成形与模具技术国家重点实验室、能量转换与存储材料化学教育部重点实验室、材料化学与服役失效湖北省重点实验室，围绕能源材料与技术服役化学这一研究课题开展了系列富有成效的基础研究、技术攻关和成果转化，在能源材料失效机制与评估、能源材料腐蚀调控与创制、能源技术开发集成与应用等方面取得了系列创新成果，对新能源材料和技术发展起到重要推动作用。

华中科技大学化学与化工学院近年来不断加大高层次人才引进和培养力度，学院领导班子亲赴各地引智引才，为学院、学科的长期发展建设谋篇布局、积能蓄力。同时，学院准确把握学科布局与发展定位、学术队伍规模和层次结构，围绕能量转换与存储材料化学教育部重点实验室、生物无机化学与药物湖北省重点实验室、材料化学与服役失效湖北省重点实验室及学院重点研究方向引进了一大批青年才俊，着力提升学院的综合竞争力。