近日，国际知名学术期刊Chem Catalysis以“Direct oxygen-containing simulated flue gas electrolysis over amine-confined Ag catalyst in a flow cell”为题，在线报道了我校材料科学与工程学院清洁能源材料与器件团队在直接模拟含氧烟道气电还原领域的最新研究成果。
可再生能源驱动的电化学CO2还原技术是生产增值碳产物的有效途径。研究团队的前期研究结果在CO2选择性、转化率方面取得了阶段性进展，单碳或多碳产物选择性最优可达90%以上，在150sccm的CO2流速下转化率可超40%（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202202298; Angew.Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202217296; Nat. Commun. 2023, 14, 1599; Nat. Commun.2023, 14, 7681）。然而，CO2电还原技术工业化的主要经济障碍是电能和CO2进料成本，由于可再生能源发电技术的发展，电价成本有望大幅下降；但是大多数CO2电还原的研究仍使用价格昂贵的高纯度CO2来取得出色的综合性能，极大程度增加了CO2电还原的成本。
工业中获取纯CO2的主要方法是直接空气捕获（DAC）或从烟道气中进行CO2的捕获和利用（CCU）。不论是DAC还是CCU，两者都需要考虑昂贵的捕获和提纯成本，无法在工业中应用。最近有研究实现了CO2捕获溶液的直接电解，减少了CO2的净化过程。然而，由于传质速度慢、CO2的局部浓度低等问题，实现高产物选择性和反应速率仍十分困难。相比之下，直接电解工业烟道气生产含碳化学品或燃料，对于CO2的直接捕集和原位转化具有重要意义。
烟道气的主要成分为N2，O2，CO2以及少量的SOx、NOx和粉尘。然而，由于O2还原相比于CO2还原更容易发生，会严重影响CO2的电还原性能。针对这一关键问题，研究团队开发了一种用于直接模拟含氧烟道气电还原的有机胺修饰银催化剂（Ag-DMA）。纯银催化剂在烟道气中的CO法拉第效率基本为0%；相比之下Ag-DMA可实现最高80.6%的CO选择性，CO部分电流密度为333.7 mA cm-2。膜电极组件中烟道气电解可在~250 mA·cm-2下持续运行，全电池能量效率约为40%。原位光谱和计算表明，有机胺修饰不仅增强了CO2的持久吸附能力，为Ag纳米颗粒创建了局域碱性微环境，而且有效地阻碍了氧还原反应中*OOH关键中间体的形成，避免了电子用于驱动氧还原副反应。该工作表明，有机胺修饰催化剂有助于构建直接烟道气电还原的自驱动捕集-转化系统，为降低CO2进料成本、促进CO2电解产业化进程提供了广阔的应用前景。
该工作主要由材料科学与工程学院博士生孙纪伟、化工学院博士生俞婷婷在刘鹏飞副教授、练成教授、杨化桂教授等人的指导下完成。研究工作得到国家自然科学基金、上海市“碳达峰碳中和专项”和上海市基础研究特区等资金项目的资助。
论文链接：https://www.cell.com/chem-catalysis/abstract/S2667-1093(24)00039-3#%20
