二氧化碳等溫室氣體過量排放，會導致溫室效應加劇，進而產生一系列負面影響。含鉛、鋅等重金屬元素的電池廢棄后，如不妥善處理，也會對生態環境產生毒害作用。
日前，華中科技大學夏寶玉團隊、中國科學技術大學姚濤團隊，以及新西蘭奧克蘭大學王子運團隊聯合研究發現，將廢舊電池和溫室氣體結合起來，能產生“負負得正”的效果。聯合團隊使用回收的廢電池，將二氧化碳“加工”成具有較高經濟價值的化工原料甲酸，實現變廢為寶。相關研究成果1月31日發表于《自然》。
夏寶玉教授（前排坐者）及其研究團隊。受訪者供圖
“我們創建了質子交換膜二氧化碳電解系統，讓甲酸的生成率超過93％，并能連續穩定運行5000小時以上，在多項指標上打破世界紀錄。”論文通訊作者、華中科技大學教授夏寶玉告訴《中國科學報》。
另辟蹊徑，變廢為寶
含有大量碳元素的化石燃料經過一系列反應，產生二氧化碳。隨著社會快速發展，化石燃料過度使用導致空氣中二氧化碳濃度逐年遞增，加劇氣候系統的不穩定性。
我國于2020年提出“雙碳”目標，方向是逐步調整產業結構、加強技術創新，促進綠色可持續發展。“通過二氧化碳電解反應，將其轉化為高附加值燃料和化學品，是一條綠色之路。”夏寶玉說。
資料顯示，二氧化碳電解是在催化劑的作用下，將二氧化碳轉化為相關化學制品的技術，有廣闊的應用前景。在諸多電解產物中，甲酸是一種重要的液體化學原料，在化工、能源、農業等領域有廣泛應用。高效穩定地獲得高純度甲酸，不僅消耗了二氧化碳、改善環境污染問題，還能改善能源危機、創造可觀的經濟效益。
高效、穩定、高純度，這正是研究團隊面臨的挑戰。此前，雖然已有二氧化碳電解等方面的研究，但電解環境中各原材料相互“打架”、電解系統壽命短等仍然是未解決的難題。
一次，在校園中散步時，夏寶玉偶然看到一輛有些破舊的電動車。他當即想到，市面上常見的電動車，大多選用鋰電池或鉛酸電池供電。而鉛酸電池正是他在此前的研究中關注過的。
“什么物質能在酸性條件下高效穩定還原二氧化碳？鉛就是其中之一，但是少有人去研究。”夏寶玉介紹，“近些年，相關研究中使用的電解液大多呈堿性，這導致很多二氧化碳被堿性電解液吸收，在電極表面生成大量碳酸鹽沉淀，大幅降低了系統的轉化效率和壽命。”
針對這些難題，團隊創新使用酸性電解液、開發關鍵催化材料、設計膜電極系統，研發出新型質子交換膜二氧化碳轉化系統，顯著提升了系統穩定性和二氧化碳轉化效率。
接力挑戰高難度課題
取得這樣的成績，并不容易。研究團隊朝著這個研究方向，深耕了近五年。
“我2019年加入夏老師團隊，接觸到這個研究方向。”論文第一作者、華中科技大學博士生房文生回憶，“這也是我研究生階段遇到的第一個課題。”彼時，還是碩士生的他并不知道，這是一項多么“艱巨”的任務。
摸索一段時間后，雖然有了一些知識儲備，“但還遠遠不夠”。“很多人覺得這個方向太難了，要做很多實驗、測大量的數據，我也有點兒打退堂鼓。”房文生說。
出于這樣的考慮，他將這個課題暫時擱置。一年后，在夏寶玉的鼓勵下，在積累了更多“實戰”經驗后，“撿起來”繼續推進。
實驗過程中團隊發現，在酸性較強的溶液中進行二氧化碳電解，催化劑通常會面臨嚴重的析氫現象，同時也會加劇材料的腐蝕難以高效穩定地進行還原反應，嚴重影響系統的穩定性。
“困難總是有的，需要一個一個地解決。”房文生說。
經過不斷嘗試，結合鉛酸電池帶來的“啟發”，聯合團隊制備出鉛基耐酸腐蝕的二氧化碳還原電催化劑。這種催化劑可以顯著抑制酸性電解系統中的析氫現象，并將二氧化碳單一選擇性地轉化成甲酸，轉化效率也高達90％以上。不僅如此，這種性能優越的催化劑，還能實現公斤級甚至噸級的量產，以滿足工業化的需求。
二氧化碳的高效轉化實現了，聯合研究團隊卻并不滿足。“這只成功了一半。我們解決了高效的問題，之后還要讓它長時間高效。”夏寶玉說，“穩定的系統，是保持高效狀態的重點。”
為響應國家需求層層攻關
在解決系統穩定性問題的道路上，研究團隊發現，系統中的關鍵部件質子交換膜常常會被破壞。
電池一般由電極、電解質、隔膜等部分組成。其中，隔膜用于陰陽兩級間的離子交換。深入研究后團隊發現，由于電解質中含有水，在反應過程中，水經過氧化產生的副產物雙氧水會腐蝕質子交換膜，進而影響整個電解體系的性能與壽命。
“原本平整光滑的一張膜，只運行了幾百個小時就被腐蝕得破破爛爛，設備也不能正常運行了。”夏寶玉說，“我們想了很多辦法，去解決膜被破壞的問題。”
在能源化學領域深耕多年的研究經驗，讓夏寶玉產生了“以氫氣替換水”的想法，讓副產物不再產生。這不僅有效避免了質子交換膜的腐蝕，大幅提高穩定性和使用壽命，還極大地減少了系統的耗電量，讓團隊收獲了意想不到的效果。
有了這一突破，后續的測試可以穩定進行。不過，由于測試儀器的限制，實驗不能“自主”開展，到了測試時長的上限，需要刷新重置才能繼續。這就得有人一直在旁邊盯著。
星期天，房文生有時不在實驗室，夏寶玉會發消息問：“文生，裝置怎么在閑著？”
到了放假時間，房文生則會說：“夏老師，我再多留幾天。”
在研究進行的幾年里，上面的對話常見于師生之間。
終于，在聯合團隊的共同努力下，協同攻關下，穩定性的難題也解決了，團隊實現了系統低能耗高效率電解反應，能連續運行5000小時以上，較業內水平遙遙領先。
“通過這項技術，從二氧化碳到燃料、燃料到二氧化碳、二氧化碳再變成燃料，我們就構建了一個人工的碳循環。在這個過程中，中國科學技術大學和新西蘭奧克蘭大學團隊做了許多重要的工作。”夏寶玉說，“我們所做的研究有助于解決廢舊電池處理這個老大難問題，有助于國家‘雙碳’戰的實現，我們就是想多做些這樣‘經世致用’的事。”
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06917-5
本文鏈接：廢舊電池變“燃料” 打破多項世界記錄http://www.lensthegame.com/show-11-2773-0.html
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