碳中和背景下的电催化 CO₂转化：流动池技术的前沿与规模化潜力

     随着全球对碳中和目标的紧迫追求，电催化二氧化碳（CO₂）转化技术作为实现碳循环闭合的关键路径，正受到广泛关注。流动池技术作为电催化 CO₂转化的核心装备，因其在传质效率、产物选择性和电流密度等方面的显著优势，成为推动该技术从实验室走向规模化应用的重要突破口。本文系统综述了流动池技术在电催化 CO₂转化领域的前沿进展，深入分析了其在规模化应用中面临的挑战与机遇，并对未来发展方向进行了展望，旨在为该领域的科研人员和产业从业者提供全面的技术参考和战略思考。

一、引言

       在全球气候变化的严峻挑战下，减少温室气体排放、实现碳中和已成为国际社会的广泛共识。CO₂作为最主要的温室气体，其过量排放导致全球气温上升、气候事件频发等一系列环境问题。为应对这一危机，开发高效的 CO₂转化与利用技术迫在眉睫。

      电催化 CO₂转化技术利用电能将 CO₂还原为有价值的化学品和燃料，如一氧化碳（CO）、甲酸（HCOOH）、甲烷（CH₄）、乙烯（C₂H₄）和乙醇（C₂H₅OH）等。该技术不仅能够实现 CO₂的资源化利用，减少其在大气中的累积，还能将间歇性的可再生能源（如太阳能、风能）以化学能的形式储存起来，为构建可持续的能源体系提供了新的途径。

      流动池技术作为电催化 CO₂转化的关键平台，通过引入电解液的流动，有效改善了反应体系的传质效率，提高了 CO₂的溶解度和扩散速率，从而显著提升了电催化反应的性能。与传统的静态电解池相比，流动池能够在更高的电流密度下运行，实现更高效的 CO₂转化，为大规模工业化应用奠定了基础。

二、电催化 CO₂转化反应基础

2.1 CO₂的活化与还原机理

      CO₂是一种热力学稳定的分子，其 C=O 键能高达 750 kJ/mol，因此需要克服较高的能垒才能实现活化与还原。在电催化过程中，电子通过电极传递给 CO₂分子，使其发生还原反应。反应机理较为复杂，涉及多个电子转移步骤和中间体的形成。常见的反应路径包括 CO₂直接还原为 CO、甲酸根离子（HCOO⁻），以及通过 C-C 偶联反应生成多碳产物（如 C₂H₄、C₂H₅OH 等）。不同的反应路径取决于催化剂的种类、结构以及反应条件（如电解液组成、电极电位等）。

      以 CO₂还原为 CO 为例，其反应机理通常被认为是 CO₂首先在催化剂表面吸附，得到一个电子形成 CO₂⁻・自由基中间体，随后进一步加氢生成 CO 和 OH⁻。而对于多碳产物的生成，关键在于 C-C 偶联步骤，需要精确控制反应中间体的吸附与反应活性，以促进 C-C 键的形成。

2.2 催化剂的作用与分类

      催化剂在电催化 CO₂转化反应中起着至关重要的作用，它能够降低反应的活化能，提高反应速率和产物选择性。目前，用于电催化 CO₂还原的催化剂种类繁多，主要可分为贵金属催化剂、过渡金属催化剂、合金催化剂、金属氧化物催化剂以及非金属催化剂等几类。

      贵金属催化剂（如 Au、Ag、Pd 等）具有较高的催化活性和选择性，能够在较低的过电位下实现 CO₂的高效还原，但其高昂的成本限制了大规模应用。过渡金属催化剂（如 Cu、Fe、Ni 等）价格相对低廉，其中 Cu 是目前能够高效催化 CO₂转化为多碳产物的金属，但存在选择性和稳定性有待提高的问题。合金催化剂通过将两种或多种金属元素组合，能够调节催化剂的电子结构和表面性质，从而改善催化性能。例如，Au-Cu 合金催化剂在提高 CO₂还原产 C₂+ 产物的选择性方面表现出良好的潜力。

      金属氧化物催化剂（如 ZnO、SnO₂等）对 CO₂具有较强的吸附能力，能够促进 CO₂的活化，但通常需要较高的过电位。非金属催化剂（如碳基材料、有机分子催化剂等）由于其电子结构和化学性质，也在电催化 CO₂转化领域展现出一定的应用前景，且具有成本低、环境友好等优点。

三、流动池技术的优势与原理

3.1 传质效率的提升

      在电催化 CO₂转化反应中，传质过程是影响反应速率和效率的重要因素。传统的静态电解池中，CO₂在电解液中的溶解度较低，扩散速率较慢，容易在电极表面形成浓度梯度，导致反应活性位点的利用率降低。而流动池技术通过强制电解液流动，能够有效打破这种浓度梯度，使 CO₂能够快速传输到电极表面，提高反应底物的浓度，从而显著提升传质效率。

      研究表明，在流动池体系中，CO₂的传质速率可比静态电解池提高数倍甚至数十倍。这不仅能够加快电催化反应的速率，还能在更高的电流密度下维持反应的稳定性，为实现高效的 CO₂转化提供了有力保障。

3.2 改善局部反应环境

      除了提升传质效率外，流动池技术还能够改善局部反应环境。电解液的流动可以及时带走反应产生的热量和副产物，避免电极表面过热和副产物积累对反应性能的负面影响。同时，流动的电解液能够更好地维持电极表面的 pH 值稳定，有利于反应的进行。

      例如，在 CO₂还原为甲酸的反应中，反应过程会产生 OH⁻离子，导致电极表面 pH 值升高。在静态电解池中，这种 pH 值的变化可能会影响催化剂的活性和产物选择性。而在流动池体系中，流动的电解液能够迅速将产生的 OH⁻离子带走，保持电极表面 pH 值的相对稳定，从而提高甲酸的产率和选择性。

3.3 提高电流密度与反应效率

      由于传质效率的提升和局部反应环境的改善，流动池技术能够实现更高的电流密度。电流密度是衡量电催化反应效率的重要指标，较高的电流密度意味着单位时间内有更多的电荷通过电极，从而能够在更短的时间内实现更多的 CO₂转化。

      在实际应用中，高电流密度不仅能够提高生产效率，还能降低设备成本和运行能耗。目前，一些先进的流动池体系已经能够在安培级电流密度下实现高效的 CO₂转化，为工业化应用提供了可行性。例如，中国能建广东院牵头研发的 100 吨 / 年 CO₂电催化制取合成气示范装置，其 CO₂还原电堆技术达到高水平，在高电流密度下实现了稳定高效的运行，为 CO₂电催化制合成气技术的商业化应用迈出了重要一步。

四、流动池技术的前沿进展

4.1 新型流动池结构设计

     为进一步提升流动池的性能，科研人员在结构设计方面进行了大量创新。近年来，出现了多种新型的流动池结构，如薄层流动池、微流控流动池、气体扩散电极（GDE）型流动池 等。

      薄层流动池通过减小电解液层的厚度，缩短了 CO₂和产物的扩散路径，从而显著提高了传质效率。同时，薄层结构还能够降低溶液电阻，减少能量损耗。微流控流动池则利用微通道的特殊结构和流体力学特性，实现了对反应过程的精确控制，能够在微观尺度上研究电催化反应机理，并优化反应条件。

      GDE 型流动池由于其特别气体扩散层设计，能够使 CO₂气体直接与催化剂表面接触，避免了 CO₂在电解液中的溶解损失，大大提高了 CO₂的利用效率。此外，GDE 型流动池还能够有效抑制析氢反应等副反应的发生，提高产物的选择性。例如，西安交通大学化工学院马明特聘研究员团队利用 GDE 型的流动电解池，在没有 CO 传质限制的情况下，探究了阳离子的种类对 CO 电还原过程中 C₂+ 产物选择性的影响，为深入理解催化反应机制提供了新的见解。

4.2 高性能电极材料的开发

      电极材料是流动池技术的核心组成部分，其性能直接影响电催化 CO₂转化的效率和选择性。近年来，随着材料科学的不断发展，一系列高性能的电极材料被开发出来。

      在催化剂方面，除了对传统催化剂进行优化改性外，还涌现出许多新型催化剂体系。例如，通过设计具有特殊结构和电子性质的纳米材料，如纳米管、纳米线、多孔结构等，能够增加催化剂的比表面积和活性位点，提高催化性能。安徽师范大学熊宇杰副校长和化学与材料科学学院吴正翠教授、盛天副教授合作设计的 V 掺杂 Cu₂Se 分级纳米管，在流动池中−0.8 V 的电位下产生乙醇的法拉第效率为 68.3%，偏电流密度达到−207.9 mA cm⁻²，展现出优异的电催化 CO₂还原性能。

       此外，将催化剂与载体材料进行复合也是提高电极性能的重要手段。载体材料不仅能够提高催化剂的分散性和稳定性，还能通过与催化剂之间的相互作用调节其电子结构，进一步提升催化活性和选择性。例如，通过将金属催化剂负载在具有高导电性和良好化学稳定性的碳纳米管、石墨烯等碳基材料上，能够有效提高电极的整体性能。

4.3 原位表征技术的应用

     为深入理解电催化 CO₂转化反应机理，实时监测反应过程中的动态变化，原位表征技术在流动池研究中得到了广泛应用。原位表征技术能够在反应条件下对电极表面的结构、组成、电子状态以及反应中间体等进行直接观测，为揭示反应机制、优化催化剂设计和反应条件提供了关键信息。

      常见的原位表征技术包括原位光谱技术（如原位红外光谱、原位拉曼光谱等）、原位 X 射线技术（如原位 X 射线吸收光谱、原位 X 射线衍射等）以及电化学石英晶体微天平等。例如，通过原位红外光谱可以实时监测 CO₂还原过程中反应中间体的生成与转化，从而推断反应路径；原位 X 射线吸收光谱能够提供催化剂在反应过程中的电子结构和配位环境变化信息，有助于深入理解催化剂的活性位点和反应机理。

      厦门大学化学化工学院王野、谢顺吉教授团队结合安培级电流密度下膜电极模式的工况 XRD、XAS、拉曼光谱表征和同位素示踪等研究，证实了反应过程中 Cu⁺可稳定存在，并揭示了 Cu⁺促进水活化和 C-C 偶联生成 C₂+ 化合物的催化作用机制，为提高膜电极电解池中 CO₂还原制 C₂+ 化合物的性能提供了理论依据。

五、规模化潜力分析

5.1 与可再生能源的耦合前景

      电催化 CO₂转化技术的规模化应用离不开可持续能源的支持。流动池技术能够与多种可再生能源（如太阳能、风能、水能等）实现有效耦合，形成 “可再生能源 - 电催化 CO₂ 转化 - 化学品 / 燃料生产" 的绿色能源循环体系。

      以太阳能为例，通过光伏发电将太阳能转化为电能，再将电能输入流动池系统用于 CO₂的电催化还原，最终生成有价值的化学品或燃料。这种耦合方式不仅能够实现 CO₂的减排和资源化利用，还能将太阳能以化学能的形式储存起来，解决了太阳能间歇性和不稳定性的问题，提高了能源的利用效率和稳定性。

      同样，风能和水能发电也可以与流动池技术相结合，为大规模电催化 CO₂转化提供充足的电力供应。随着可再生能源技术的不断发展和成本的降低，其与流动池技术的耦合将具有广阔的应用前景，有望成为未来实现碳中和目标的重要技术路径之一。

5.2 成本效益分析与经济可行性

      实现电催化 CO₂转化流动池技术的规模化应用，成本效益是关键因素之一。目前，该技术的成本主要包括设备投资成本、电极材料成本、能耗成本以及 CO₂捕集成本等。

      在设备投资方面，随着技术的不断成熟和规模化生产的推进，流动池设备的成本有望逐渐降低。同时，通过优化流动池结构设计和提高设备性能，能够提高单位设备的 CO₂转化效率，进一步降低单位产品的设备成本。

      电极材料成本是影响总成本的重要因素之一。开发低成本、高性能的电极材料是降低成本的关键。如前文所述，通过研发新型的非贵金属催化剂、优化催化剂制备工艺以及采用高效的载体材料等手段，可以有效降低电极材料成本。此外，提高催化剂的稳定性和使用寿命，减少催化剂的更换频率，也能降低长期运行成本。

      能耗成本与电流密度、电解电压等因素密切相关。流动池技术由于能够实现高电流密度运行，在一定程度上降低了单位产品的能耗。同时，通过优化反应条件和电极材料，降低电解电压，进一步减少能耗成本。

      CO₂捕集成本也是需要考虑的因素之一。目前，CO₂捕集技术已经取得了一定进展，成本逐渐降低。随着技术的不断进步，将 CO₂捕集与电催化转化过程进行一体化设计，有望进一步降低整体成本。

      综合来看，虽然目前电催化 CO₂转化流动池技术的成本仍然较高，但随着技术的不断进步和规模化应用的推广，成本有望显著降低，从而实现经济可行性。例如，中国能建广东院牵头研发的 100 吨 / 年 CO₂电催化制取合成气示范装置的成功运行，为评估该技术的成本效益和经济可行性提供了重要参考，为后续的商业化推广奠定了基础。

5.3 规模化应用案例与示范项目

      近年来，为推动电催化 CO₂转化流动池技术的规模化应用，国内外开展了一系列示范项目。这些项目不仅验证了技术的可行性，还为大规模工业化应用积累了宝贵经验。

      除了前文提到的中国能建广东院牵头的 100 吨 / 年 CO₂电催化制取合成气示范装置外，还有一些其他的典型案例。例如，德国的 Sunfire 公司建设了一座电催化 CO₂转化示范工厂，利用可再生能源产生的电能将 CO₂和水转化为合成气，再进一步合成甲醇等燃料。该项目展示了电催化 CO₂转化技术在实际工业生产中的应用潜力。

      此外，美国的一些科研机构和企业也在积极开展相关示范项目，探索不同的技术路线和应用场景。这些示范项目的成功实施，为电催化 CO₂转化流动池技术的规模化推广提供了有力支撑，有助于吸引更多的投资和资源，加速技术的产业化进程。

六、挑战与展望

6.1 当前面临的技术挑战

      尽管流动池技术在电催化 CO₂转化领域取得了显著进展，但在实现大规模工业化应用之前，仍面临诸多技术挑战。

      首先，催化剂的性能仍需进一步提高。虽然目前已经开发出了一些具有较高活性和选择性的催化剂，但在长期稳定性、抗中毒能力以及对复杂反应体系的适应性等方面还存在不足。例如，在实际工业应用中，原料气中的杂质可能会导致催化剂中毒失活，影响反应的长期稳定运行。因此，开发具有高稳定性和抗中毒能力的催化剂是未来研究的重点方向之一。

      其次，流动池的设计和优化仍有提升空间。尽管新型流动池结构不断涌现，但在实现高效传质、降低能耗、提高设备紧凑性以及优化成本等方面还需要进一步改进。例如，如何在提高电解液流速以增强传质效率的同时，避免过高的流速导致电极表面的催化剂冲刷流失，是流动池设计中需要解决的一个关键问题。

      此外，反应机理的深入理解仍然不足。虽然原位表征技术为研究反应机理提供了重要手段，但目前对于电催化 CO₂转化过程中一些复杂的反应步骤和中间体的认识还不够清晰。这限制了催化剂和反应体系的理性设计与优化，需要进一步加强理论计算与实验研究的结合，深入揭示反应机理。

6.2 未来发展方向与研究重点

      针对当前面临的技术挑战，未来电催化 CO₂转化流动池技术的发展方向和研究重点主要包括以下几个方面。

      一是开发新型催化剂体系。通过材料科学与计算化学的交叉融合，设计和合成具有特别结构和电子性质的新型催化剂，如单原子催化剂、金属有机框架（MOF）衍生催化剂、二维材料基催化剂等，以提高催化剂的活性、选择性和稳定性。同时，深入研究催化剂的构效关系，为催化剂的理性设计提供理论指导。

      二是优化流动池结构与系统集成。进一步探索新型流动池结构，如采用 3D 打印等先进制造技术制备具有复杂流道和微观结构的流动池，以实现更高效的传质和反应控制。此外，加强流动池与 CO₂捕集、产物分离等单元操作的系统集成研究，构建完整的电催化 CO₂转化工艺流程，提高整体效率和经济性。

      三是深化反应机理研究。综合运用原位表征技术、理论计算和动力学分析等手段，深入研究电催化 CO₂转化反应机理，特别是 C-C 偶联等关键步骤的反应机制。通过对反应机理的深入理解，为催化剂和反应条件的优化提供更坚实的理论基础，实现对反应路径和产物选择性的精准调控。

      四是推动技术标准化与产业化。随着技术的不断发展，建立统一的技术标准和规范对于促进电催化 CO₂转化流动池技术的产业化至关重要。同时，加强产学研合作，加速技术成果的转化和商业化应用，通过规模化生产降低成本，提高技术的市场竞争力。

6.3 对碳中和目标实现的重要意义

      电催化 CO₂转化流动池技术作为一种潜力的 CO₂资源化利用技术，对于实现碳中和目标具有重要意义。通过将 CO₂转化为有价值的化学品和燃料，该技术不仅能够有效减少 CO₂在大气中的排放，还能为能源和化工行业提供可持续的原料和能源来源，推动产业的绿色转型。

        在全球积极应对气候变化的背景下，电催化 CO₂转化流动池技术的发展和应用将有助于构建可持续的碳循环体系，为实现碳中和目标提供重要的技术支撑。随着技术的不断进步和规模化应用的推进，相信该技术将在未来的能源和环境领域发挥越来越重要的作用，为人类创造更加美好的绿色未来。

产品展示

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