大连理工校友研发全金属电极，可用于新型二氧化碳转化系统

张子帅，现为加拿大英属哥伦比亚大学（UBC）博士后研究员。1 月 6 日，以一作身份在 Energy & EnvironmentalScience 上发表了题为《多孔金属电极可实现碳捕获溶液的高效电解》（Porous metal electrodes enableefficient electrolysis of carbon capture solutions）的论文 [1] 。

 

图 | 相关论文（来源：Energy & EnvironmentalScience）

 

该工作的研究背景是二氧化碳捕集与转化方面的应用，解决了此前该领域的上游碳捕集和下游碳利用的结合问题。一般情况下，二氧化碳需要先从空气中捕集，捕集完之后需要一个高能量的纯化的过程，比如吸附-脱附，气体压缩等步骤。因为空气中二氧化碳非常稀薄 （～400ppm），捕集完之后，需将其转换成高浓度的 CO₂ 气体再进行后续的利用或者封存。在这个过程中有很多能量的损失，同时需要高成本的前期投入和购买一些重资产的设备。

 

图 | 张子帅（来源：张子帅）

 

该工作利用一种新的低成本的方式，让二氧化碳捕集完之后，捕集液不再去释放出高纯二氧化碳，简化了中间流程，直接用二氧化碳捕集液来进行后续反应。张子帅表示，这样的碳捕集-利用流程以及其相应的电池装置，在工业化应用方面将具有成本优势。

 

此前一篇相关论文由科特斯 博灵盖特（Prof. Curtis Berlinguette）课题组于 2019 年发表在 Joule，当时报道的法拉第效率在 100mAcm^-2 只有 37%，经过两年的研究，此次报道的法拉第效率在 100mAcm^-2 的电流密度下达到了 95%，和现在高水平的气态二氧化碳反应器达到了同样的效率。

 

从课题的立项，到这篇工作的发表经过了挺长一段时间的摸索。期间，法国大型石油公司（Total Energies SE）赞助了张子帅所在的团队。在此之后，他致力于提升产物选择性到先进的气态二氧化碳电解器的水平，以及降低电解器所需能量使其具备工业化前景。此次项目的论文，第一次投稿大概在 2020 年，经过一年多的同行评议，直到最近才发表。

 

概括来说，此次论文主要提出了一种全金属电极，相比于其他文献中所报道的多层碳基扩散电极体系（广泛应用在气态 CO₂ 电解器），这种电极非常简单，且具有更高的稳定性，更具有工业化应用前景。这篇论文想向学界传达的信息是，目前已有二氧化碳利用技术和上游的碳捕集技术还没有有机的结合在一起，整体来看需要的能量输入过高，要持续不断简化这种工艺过程，才能推动走向商业化应用。提及研究历程，他表示，多数课题组在做二氧化碳还原时，都用气态二氧化碳进行直接还原，这种技术方案已经非常成熟。不过在这些类似的研究中，很少考虑结合上游现有的捕集方面的进展来开展工作。

 

由于之前曾存在很多丞待解决的问题（主要是低选择性），一度导致该团队的技术性能与成熟的气态二氧化碳电解器相比仍有较远距离。所以在审稿的过程中，以及推广该工作的过程中，遇到了一些学者的怀疑甚至否定。面对这种怀疑和否定，英属哥伦比亚大学团队不断提高技术的性能指标，最后才做到与成熟的气态二氧化碳还原技术相当的性能。

 

他说，这个技术具有巨大的发展前景，期间也没有因为一开始学术界的不太承认而放弃。两三年的时间，他们终于完善了这一体系。这个过程让他觉得，科学发展和进步，总要经历一个刚开始都怀疑到逐渐接受的过程。

 

据张子帅表示，其所在课题组与加拿大公司 Carbon Engineering 已展开合作，主要进行空气碳捕获和利用的研究。前者对流程做以优化之后，已经申请到数项专利。未来，张子帅所在团队打算对专利做进一步的商用转化。张子帅表示，后续他所在的团队还会有 5 到 6 篇论文，都是在本次的基础上来做。

 

据介绍，张子帅本科就读于大连理工大学读书，学习化学工程。后到英属哥伦比亚大学攻读化学工程专业硕士。接着，他来到加拿大麦基尔大学（McGill University）攻读博士学位，期间获得国家自费留学奖学金。2019 年至今，他又回到英属哥伦比亚大学在 Curtis P. Berlinguette 课题组做博士后研究。

 

在科研方面，他的研究均以实现工业化为导向，同时和谷歌等科技公司进行合作。目前，他已经申请四项美国专利，其中两项都已授权给相关公司开展商业化合作。而且现在他也打算用自己的技术，成立初创公司。

他坦言，目前在做两方面考虑。首先，他希望 2022 年夏天能把公司成立起来。同时，他也会考虑在相关院校寻求教职。如果回国内入职的话，他比较想去探索推动二氧化碳工艺转化和产业化。

 

其表示：“这是一项卡脖子的技术，我希望能在初期一段时间做到每年上千吨或者上万吨的产能。”

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参考：

1.Porous metal electrodes enableefficient electrolysis of carbon capture solutions. Energy Environ. Sci, 2022,Advance Article. https://doi.org/10.1039/D1EE02608A