第一作者：Peng Zhu
通讯作者：Haotian Wang
通讯单位：美国莱斯大学
研究背景——全球性的温室效应日益严重
大气中CO2浓度的不断增加引起了人们对全球气候变化的密切关注。《巴黎协定》的目标是大幅减少全球温室气体排放，并将本世纪全球气温增幅控制在比工业化前水平不超过1.5摄氏度。尽管国际社会在2021年气候峰会上宣布了雄心勃勃的碳减排目标，但仍迫切需要先进的CO2转化技术，包括碳捕获、转化和储存等。由于可再生能源电网技术的快速发展，现在可以有效地从太阳能或风能中获取绿色电力，并持续降低其成本，使其达到极具竞争力的水平。一个典型的例子是美国能源部最近宣布的电力规模的太阳能2025成本目标是3美分kWh−1。可再生电力的成本持续下降，显著提高了通过电化学CO2RR等电催化过程生产的化学原料的市场竞争力和可承受性。
研究热点——CO2电还原制备高纯高浓度液体燃料
由CO2电化学还原反应（CO2RR）产生的液体燃料因其高能量密度和易于储存等优势而备受关注。不幸的是，由于目前传统的CO2电解槽和CO2RR催化剂的限制，它们通常形成的浓度较低，并混有杂质。有鉴于此，美国莱斯大学的Haotian Wang教授等对CO2电还原制备高纯高浓度液体燃料的领域进行了详细总结和展望。
本文要点：
（1）强调通过CO2电还原生产高纯高浓度液体燃料的重要性和挑战，这在CO2RR领域经常被忽视。
（2）利用先前报道的技术经济分析模型，指出与下游净化和浓缩相关的额外成本将极大地损害液体产品的经济可行性，表明有必要直接从CO2电解器实现高纯度和高浓度液体燃料。
（3）通过简要回顾近年来催化反应器设计的进展，提出了不同的策略作为未来潜在的研究方向，以进一步提高产物的选择性、活性、纯度和浓度。有助于推动通过CO2RR生产液体燃料，使其在未来更接近大规模应用。
CO2RR生产化学品和燃料的优势及面临困难
图1CO2RR技术及下游液体产品分离概述。
使用电化学CO2RR生产化学品和燃料比传统的化学工程合成方法有几个优势，包括可在温和的反应条件下操作，高能量转换效率，易于扩大应用。使用不用的电催化剂可以获得各种各样的化学品和燃料，从C1（一氧化碳(CO)、甲酸(HCOOH)、甲烷(CH4)和甲醇(CH3OH)）C2（乙烯(C2H4)、乙醇(C2H5OH)和乙酸(CH3COOH)）到C3（正丙醇）产品。与气相产物相比，由CO2RR产生的液体燃料因其高能量密度、易于运输储存等而受到特别关注。然而，仍然有大量的挑战阻碍着通过CO2RR方法生产液体燃料的经济可行性和大规模应用。目前大多数注意力都集中在催化剂的开发上，因为对目标液体燃料，特别是高值C2+液体的催化选择性和活性仍然不在工业相关范围内。然而，许多其他实际的挑战需要超越催化材料设计范围的技术发展。其中，产生的液体燃料的纯度和浓度问题是需要解决的突出挑战。在传统的CO2电解槽中,可溶性盐的水溶液电解质（如KHCO3 Na2SO4或KOH）的两个主要功能是确保快离子导电阴极和阳极之间的低电阻下降和收集液体产品。结果，获得的是液体燃料与杂质离子的混合物，这限制了燃料被直接使用。因此，必须实施额外的下游净化过程，如反渗透或电透析，以将液体燃料从离子中分离出来，然而这可能会极大地增加CO2RR产生液体燃料的总成本，并进一步复杂化其非局部生产。此外，这些CO2RR产生的液体燃料通常在电解质中被严重稀释（通常低于1 mol l -1），即使在脱盐后也无法融入现有的全球化学商品供应链。获得高浓度液体燃料所需的额外蒸馏步骤将增加另一层经济成本。
CO2RR液体燃料的性能和生产成本
图2用于液体燃料的CO2RR电催化剂和技术经济考虑。
为了从CO2还原中获得高纯度和高浓度的液体燃料，开发高活性和选择性的CO2RR催化剂是一个先决条件。不同催化剂的使用会生成不一样的液体燃料，每一种液体燃料都是通过不同的反应中间体/反应途径形成的，因此需要适当设计催化活性位点，并提供不同的性能指标。故而，对每种目标液体燃料催化剂设计的挑战是完全不同的。虽然在不久的将来，CO2转化为液体燃料催化剂的性能指标可能会不断提高，但它们仍不足以使这种电化学过程与传统的化学工程行业具有高度的竞争力。
虽然除了甲醇和正丙醇外，产生的CO2RR液体燃料从最初的生产成本来看是有利可图的，传统CO2电解槽产生的液体燃料由于浓度低、纯度低，不能作为最终的商业产品纳入当前的市场供应链。因此，考虑到获得商业级液体燃料所需的下游产品分离过程，将会增加另一层成本，而情况可能会完全改变。为了进行一致的比较，作者使用了同一研究中报告的蒸馏成本模型作为技术经济分析模型，用于所有液体燃料产品。由于产品净化过程的巨大成本贡献，所有高纯度和高浓度液体产品的最终成本都高于当前的市场价格，这使得这种CO2RR-液体燃料路线在经济上尚不可行。
这一分析清楚地表明，不仅迫切需要改进催化剂，而且迫切需要新型催化反应器工程，以实现直接生产高纯度和高浓度液体燃料，而不需要高成本的下游净化过程。
高纯度液体燃料反应器设计的机遇与挑战
图3固体电解质反应器。
为了解决液体燃料杂质的问题，需要将传统液体电解质在CO2电解槽中执行的离子传导和液体产物收集这两个主要功能解耦。最近一个很有前途的策略是在阴极和阳极之间用一层薄薄的多孔固体电解质(PSE)取代液体电解质。
转向高度浓缩的液体燃料
图4高纯度、高浓度液体燃料CO2电解槽设计。
虽然固体电解质反应器的设计可以避免使用传统的液体电解质，从而帮助提供高纯度液体燃料解决方案，但直接生产高浓度纯液体燃料仍然具有挑战性，可能需要替代的反应器结构。浓缩最终产物的一种简单方法是在保持CO2反应速率的同时，直接降低通过固体电解质层的去离子水流量。
展望和结论
（1）对液体燃料CO2减排的技术经济分析提供了一个重要信息，即传统电解槽中的电解质混合物和低浓度问题，这在CO2RR领域经常被忽视，可能是商业化过程中的最大障碍之一。
（2）一个有希望但具有挑战性的方向是设计新型催化反应器，如固体电解质反应器，可以直接生产高纯度和高浓度的液体燃料，而不需要下游产品分离过程。
（3）虽然目前的大部分研究都集中在高性能CO2RR催化剂的开发上，但更多的努力需要投入到CO2RR电解槽设计的其他组成部分，包括膜、固体电解质和界面等，最终实现商业级液体燃料产品的目标。
（4）反应器工程在将CO2还原为纯液体燃料方面的未来进展，也将大大有利于电合成的其他领域（如氧还原为过氧化氢和氮还原为氨），以实现纯液体产品的直接生成，将电化学的应用推向了一个新的发展阶段。
Zhu, P., Wang, H. High-purity and high-concentration liquid fuels through CO2 electroreduction. Nat Catal 4, 943–951 (2021).
DOI: 10.1038/s41929-021-00694-y
https://doi.org/10.1038/s41929-021-00694-y
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