中科院过程所离子液体团队CEJ：离子液体电解液强化CO2高效电还原制CO放大研究

【文章信息】

离子液体电解液强化CO2高效电还原制CO放大研究

第一作者：袁磊，张雷浩

通讯作者：曾少娟*，张香平*

单位：中科院过程所，郑州大学，中国石油大学（北京）

【研究背景】

近年来，采用电化学法还原CO2制备高附加值化学品已取得了显著进展。技术经济性分析表明，随着电力成本降低和可再生电能的普及，电驱动CO2还原制化学品是一种经济盈利的潜在途径。现有大多数工作主要集中于电催化材料设计及电还原性能基础理论研究，而这项技术的最终实际可行性取决于CO2电还原工艺的放大研究。尽管如此，关于CO2电还原过程放大研究却鲜有报道。因此，CO2电还原放大规律的深入研究至关重要，这将加快未来的CO2电还原技术创新和实际应用。

【文章简介】

传统水溶液电解液中CO2电还原过程析氢严重，且液相中较低的CO2溶解度造成产物选择性差，离子液体由于较好的CO2亲和性以及显著的抑制析氢效果已被证实为一种高效CO2电还原的新型介质。

​基于此，中科院过程所离子液体团队在《Chemical Engineering Journal》期刊发表题为“Upscaling Studies for Efficiently Electric-driven CO2 Reduction to CO in Ionic Liquid-based Electrolytes”的文章。该工作建立了CO2电还原连续放大系统，包括阴阳极高位罐、阴阳极电解液储罐和气液分离器等，其中核心电解槽结构采用离子液体电解液的H型放大流动池（UHFC-IL），其电极活性面积高达495 cm2，并通过该装置对CO2电还原过程进行了系统研究。

图1 CO2电还原放大系统工艺图（a）和照片（b）。其中（a，b）阴、阳极高位罐，（c，d）阴、阳极电解液储罐，（e，f）阴、阳极半池，（g，h）阴、阳极气液分离器，（i，j）蠕动泵。

图2 电解槽照片（a）和结构（b）。其中（a1-2）阴、阳极半池，（b1-4）硅橡胶垫圈，（c）阴极，（d）阳极，（e）质子交换膜。

【本文要点】

要点一：离子液体筛选及CO2电还原放大系统评价

采用实验室1*1 cm2活性面积的H型电解槽对不同离子液体电解液进行筛选，综合考虑物性、成本及CO2电还原性能，优化采用1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[Bmim][BF4]）离子液体作为CO2电还原放大研究的电解液。系统研究所筛选的离子液体电解液中不同离子液体浓度、水含量、电解液流速、CO2流量及槽压等条件对CO2电还原性能的影响，获得了最佳的离子液体电解液组成和运行条件，实现了83.9%的CO法拉第效率和6.32 A的反应电流，其中抑制析氢反应仅占2%。

图3 CO2电还原放大过程中产物CO含量、输出气体流量和输入CO2流量之间的关系（a），不同CO2流量下的CO2电还原性能。

要点二：CO2电还原放大稳定性评价及对比

在最佳实验条件下，采用该装置分别进行了连续10 h离子液体电解液与水溶液电解液中CO2电还原性能对比。结果表明，离子液体电解液中CO2电还原性能稳定性明显优于水溶液电解液体系。在连续10 h的CO2电还原过程中能够以1.7 L/h的生产速率获得CO产物，且电解前后离子液体电解质的核磁氢谱没有明显变化，展现了巨大的应用潜力。

图4 离子液体电解液和0.1 M KHCO3水溶液电解液中连续10 h CO2电还原性能（a），CO2电还原前后离子液体电解液1H NMR结果对比（b），10 h CO2电还原过程中不同电解液中CO产率对比（c），不同电解液中CO2溶解度对比（d）。

要点三：离子液体电解液强化CO2电还原机制

离子液体电解液中阳离子[Bmim]+与CO2之间形成的[Bmim]+-CO2中间体能够促进阴极电极表面CO2浓度的富集从而实现较优的CO2电还原性能，且提出了离子液体电解液中强化CO2电还原制CO过程的可能反应机制。

图5 流动池中电化学双电层示意图（a），[Bmim][BF4]电解液强化CO2转化为CO反应机制（b）。

将本工作与其它CO2电还原放大过程的研究对比，结果表明该工作首次将离子液体作为电解液用于CO2电还原放大研究，并在最大活性面积的流动池中获得了较优的CO2电还原性能，为未来CO2电还原放大研究提供参考。

图6 CO2电还原制CO放大研究工作对比。

【文章链接】

Upscaling Studies for Efficiently Electric-driven CO2 Reduction to CO in Ionic Liquid-based Electrolytes

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138378

【通讯作者简介】

曾少娟研究员：国家优青，中科院青促会会员，获美国AIChE绿色过程工程青年创新奖。主要研究方向是离子液体构效关系、功能离子液体/材料设计合成和气体分离技术开发。在Chem Rev, Nat Commun, Green Chem, Chem Eng J, AIChE J等期刊发表论文90余篇，申请发明专利30余项。

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张香平研究员：国家杰青，入选国家万人计划、国家百千万人才工程。研究方向为绿色系统集成、化工热力学及过程模拟、离子液体及气体分离、CO2捕集及资源化利用。在Nat Commun, Chem Rev, AIChE J等发表论文260余篇；授权发明专利60余项，研发了多项气体分离绿色技术并实现了工业化。