Small Methods: 一个电解池同时实现高效的产氢、甲酸盐制备及CO₂吸收

电解水产氢被认为是一个有前景的方法,然而水分解反应的总体效率受限于阳极的析氧反应,并且阳极产物氧气没有较高的经济价值。为解决上述问题,一个有效的策略是用有机小分子的氧化反应取代析氧反应。在各种有机氧化反应的底物中,甲醇具有极其简单的分子结构,常被用于有机反应的基础研究,并且它可以被转化为具有更高价值的甲酸/甲酸盐。目前,工业上制备甲酸主要通过甲醇和CO在4.5 MPa、80 °C下反应,然后进一步水解产物得到。由于严苛的反应条件以及较高的需求,甲酸的价格远高于甲醇。甲酸也可以利用甲酸盐制备,但是工业生产甲酸盐需要CO气体和高温160 °C。总之,制备甲酸/甲酸盐的传统方法不仅耗能高,而且需要有毒气体。因此,绿色低能耗的电催化甲醇氧化(MOR)成为研究热点。而且,如果将电催化甲醇氧化和析氢反应(HER)整合到一个电解池中,一举两得,是清洁能源转化行之有效的方法。

在上述同时进行MOR和HER的电解池的基础上,南洋理工大学的范红金教授课题组进一步引入CO2吸收的功能。利用廉价的金属磷化物作为催化剂,该课题组所设计的电解池可同时进行三个功能,即产氢、CO2捕集和甲醇氧化制备甲酸盐。电解池的阴极室和阳极室被质子交换膜隔开,阴极电解液是KHCO3溶液并且通入CO2气体,阳极电解液是含有甲醇的KOH溶液。一旦施加电压,电催化HER和MOR分别在阴极和阳极进行,同时,K+离子在内部电场的驱动下从阳极运动到阴极,和阳极的CO2以及水生成KHCO3,从而使得CO2能被持续吸收。 在电流密度为10 mA cm-2时,该电解池只需要约1.1V的电压。此外,在较宽的电流密度范围内(10-400 mA cm-2),产氢和甲酸盐的法拉第效率均接近100%,而且CO2吸收的速率接近理论值(即氢气析出速率的两倍)。该工作为同时实现产氢和CO2捕集提供了一个节能高效新颖的策略。

论文信息:

Concurrent H2 Generation and Formate Production Assisted by CO2 Absorption in One Electrolyzer

Hongfei Cheng, Yumei Liu, Jiawen Wu, Zheng Zhang, Xiaogang Li, Xin Wang, Hong Jin Fan*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202100871

原文链接:https://doi.org/10.1002/smtd.202100871