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烟道气电化学捕集与转化成套装备与技术

成果类型:: 新技术

发布时间: 2023-08-04 14:56:51

科技成果产业化落地方案
方案提交机构:“科创中国”纳米技术专业科技服务团| 李小丽 | 2023-08-17 15:46:19
工业烟道气是世界上排放的CO2的主要来源之一,其为煤或其他化石燃料经燃烧后所产生的气态物质,将烟道气中CO2进行捕集和利用,对降低大气中CO2浓度、减少温室效应具有重要意义。基于太阳能、风能、水力能等可再生能源电力,将工业类烟道气高效电催化转化为一氧化碳、合成气、甲酸、乙烯、乙醇和乙酸等基础化学品,进一步结合热催化转化、微生物发酵等技术,将其转化为长链多碳的高价值可再生化学品或者燃料,最终排出的CO2再被捕集,实现燃料合成-燃烧-碳排放-燃料合成的碳元素有效循环。

项目团队创新提出烟道气电化学捕集耦合转化的思路,通过捕集剂组分设计、电催化剂创制、催化界面调控以及原型电化学反应器开发,实现烟道气高效电催化转化与应用示范。对于捕集剂组分设计,本项目采用氢氧化物(MOH, M = Li+, Na+, K+和Cs+)和胺类试剂(如乙醇胺)作为复配捕集剂,兼顾高的捕集量和传荷效率;对于电催化剂创制,设计开发基于商用多孔金属,如泡沫银、铜及纳米粉末,利用湿化学或电化学刻蚀的方法,形成多级纳米结构,增强活性位点数量以及传质,提高一氧化碳、乙烯和乙醇等碳基产物的选择性;对于催化界面调控,通过催化剂与隔膜界面结构设计,在工况下原位脱附二氧化碳并完成催化转化,提升二氧化碳的利用效率;对于电化学反应器开发,开发了功率不小于1千瓦的电化学反应器,二氧化碳的单程利用率大于70%,在工业级电流密度下(> 200 mA cm-2)的碳基产物的法拉第效率大于60%,反应器稳定运行超过1000小时。

伴随着环境污染以及能源危机等问题的日益加剧,利用电催化二氧化碳还原制备碳的相关产物这一技术受到了广泛的关注,这也是我国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”目标的部分内容。鉴于碳捕获的高昂成本,直接以烟道气作为原料、通过电催化还原反应高效转化烟道气中的二氧化碳有望成为烟道气利用的重要途径,也是重大挑战。本项目发现的方法,将实现烟道气的碳元素有效循环。

李春忠教授:英国皇家化学会会士,国际先进材料协会会士,2018-2022年科睿唯安跨学科领域全球高被引科学家,教育部长江学者特聘教授,国家杰出青年科学基金获得者,国家“万人计划”科技创新领军人才,纳米材料化工科技部重点领域创新团队负责人,上海市政协常委。入选国家百千万人才工程,国家有突出贡献中青年专家,全国优秀教师,全国优秀科技工作者,教育部跨世纪优秀人才,上海领军人才,上海市“五一”劳动奖章获得者,上海市自然科学牡丹奖,上海市青年科技英才,上海市优秀学科带头人,上海市曙光学者,上海市青年科技启明星。国家自然科学基金委员会第十二、十三届化学科学部专家评审组成员,第八届教育部科技委量子科学与柔性电子专委会委员。 江宏亮教授:国家优秀青年科学基金获得者,上海高校特聘教授“东方学者”。主要面向电解水制氢、二氧化碳电还原以及有机电合成等新能源技术,从事能源小分子电催化转化研究。近五年以第一作者/通讯作者在Natl. Sci. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Joule、Acc. Chem. Res.、Angew. Chem.、Adv. Mater等期刊发表论文40余篇。

工业类烟道气高效电催化转化为一氧化碳、合成气、甲酸、乙烯、乙醇和乙酸等基础化学品,进一步结合热催化转化、微生物发酵等技术,将其转化为长链多碳的高价值可再生化学品或者燃料,最终排出的CO2再被捕集,实现燃料合成-燃烧-碳排放-燃料合成的碳元素有效循环。

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