全球暖化給人類(lèi)社會(huì )和生態(tài)系統持續帶來(lái)威脅，而主導氣候變暖的溫室氣體中，占最主要比重的正是二氧化碳。為應對氣候變化的問(wèn)題和邁向促進(jìn)碳中和的目標，香港理工大學(xué)(理大)的研究團隊成功研發(fā)一套耐久、高選擇性、高效的二氧化碳電還原系統，可以將二氧化碳轉化成化學(xué)品原料乙烯，作其他工業(yè)用途，以為減低二氧化碳排放提供有效的解決方案。此研究成果已于國際科學(xué)期刊《Nature Energy》 發(fā)表，并于第 48 屆瑞士日內瓦「國際發(fā)明展」獲得金獎。
劉樹(shù)平教授團隊研發(fā)的電催化二氧化碳還原系統可以加速二氧化碳電催化技術(shù)的發(fā)展，有可能徹底改變現代化石燃料能源系統。
乙烯(C2H4)是其中一種需求量最大的化學(xué)品，主要應用于制造聚乙烯等聚合物，這些聚合物可以制造日常使用的塑膠、化纖等。生產(chǎn)乙烯目前仍然主要依賴(lài)石化資源，制造過(guò)程碳排放高。
由納米材料講座教授兼應用物理學(xué)系系主任劉樹(shù)平教授領(lǐng)導的研究團隊，采用電催化二氧化碳還原的方法，利用綠色的電能，令二氧化碳轉化為乙烯，為生產(chǎn)乙烯提供另一更環(huán)保、更穩定供應的方法。研究團隊正在大力推動(dòng)這項新興技術(shù)，令其可以更接近大規模生產(chǎn)，以促進(jìn)碳循環(huán)和碳中和。
劉教授采用了創(chuàng )新的方法，棄用堿金屬電解質(zhì)，改用純水作為不含金屬的陽(yáng)極電解液。研究團隊設計的電催化二氧化碳還原 APMA 系統，其中A代表陰離子交換膜 (AEM)，P 代表質(zhì)子交換膜(PEM)，MA 表示由此產(chǎn)生的薄膜組件。研究人員構建了一組含有無(wú)堿金屬 APMA 和銅電催化劑的電池堆，產(chǎn)生出的乙烯具有50%的高特異性。這套設計還可以在 10 安培的工業(yè)級電流下運行超過(guò) 1,000 小時(shí)，使用壽命較現有系統大幅延長(cháng)，意味著(zhù)該系統可以輕松擴展至工業(yè)規模。
其他測試顯示該系統能抑制碳酸根離子和鹽沉淀的形成，而二氧化碳或電解質(zhì)均未有流失。相對之下，舊有使用雙極膜而不是 APMA 的電解池會(huì )因為堿金屬離子從陽(yáng)極電解液中擴散而令電解質(zhì)流失，所以這點(diǎn)便特別重要。氫氣與乙烯競爭形成是另一種在早期使用酸性陰極環(huán)境系統上出現的問(wèn)題，這種情況在采用 APMA 后已被大大降低。
特制電催化劑是該系統的另一主要特征。眾所周知，整個(gè)化學(xué)工業(yè)中均以銅用來(lái)催化各種反應。不過(guò)，理大團隊的特制催化劑卻善用了銅的某些特點(diǎn)。數以百萬(wàn)計的納米級銅球紋理表面豐富，具有原子臺階、堆棧斷層和晶界。相對于完美的金屬結構，這些「缺陷」為反應提供了高能活性表面。
劉教授指：「研究團隊已計劃進(jìn)一步改進(jìn)系統，以提高產(chǎn)物選擇性，并與工業(yè)界開(kāi)展合作。APMA 電池設計能革新乙烯和其他有價(jià)值化學(xué)品的生產(chǎn)模式，邁向綠色生產(chǎn)，為減少碳排放和達至碳中和的目標作出貢獻?！?/p>
