闪蒸焦耳热驱动的电化学CO2转化：可持续发展的新路径

发布时间：2024.09.23
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在2023年，Enrico Tronconi教授的研究团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为'Electrified CO₂ valorization driven by direct Joule heating of catalytic cellular substrates'的论文。该研究通过直接焦耳加热技术，将催化活性的多孔泡沫基底用于电化学CO₂转化，为减少化学产品碳足迹和可持续能源载体的生产提供了前瞻性的解决方案。通过在洗涂有催化剂的多孔反应器中直接利用焦耳加热，实现了对CO₂的有效转化，这一创新方法不仅提高了能源利用效率，还为处理可再生能源的间歇性问题提供了一种通过化学产品储存能量的低碳足迹途径。

01 研究背景

随着全球人口增长，化学工业的能源消耗和CO₂排放量不断上升，这促使研究者寻找减少碳足迹的方法，将CO₂转化为有价值的化学产品。传统的工业加热方法依赖于燃料燃烧，这与减排目标相悖。因此，研究者提出了电化学过程的电气化，特别是焦耳加热技术，它能够直接将电能转化为热能，具有高热效率和快速响应的特点。论文中探讨了在电气化催化反应器中实施焦耳加热的挑战，并提出了使用催化激活的开放式多孔泡沫作为焦耳加热基底的创新方法，以期提高热质量和传递效率，从而推动CO₂的可持续转化和利用，减少化学产品生产过程中的碳足迹。

02 研究方法

（1）电化学CO₂转化的探索：将CO₂通过电化学方法转化为合成气（合成气是一氧化碳和氢气的混合物），这是实现CO₂资源化利用的关键步骤。

（2）焦耳加热技术的应用：利用焦耳加热直接对催化剂进行加热的方法，这种方法可以更高效地将电能转化为热能，用于驱动吸热的化学反应。

（3）SiSiC泡沫基底的选择：为了实现高效的热和质量传递，研究者选择了SiSiC（硅和碳化硅的复合材料）泡沫作为催化剂的载体。

（4）催化剂涂覆与反应器设计：通过湿法浸渍技术，将1% Rh/Al₂O₃催化剂涂覆在SiSiC泡沫上，以激活其催化活性。

（5）实验评估与稳定性测试：研究者对反应器系统进行了详尽的实验评估，包括催化性能测试、能量效率分析，以及长期稳定性测试，以确保技术的可行性和可

▲图1 展示了电气化反应器布局的示意图

03 研究结果

（1）高效电化学CO₂转化：通过直接焦耳加热技术，实现了CO₂向合成气的高效转化，包括CO₂甲烷重整（eCRM）和逆向水煤气变换（eRWGS）反应，反应了合成燃料和化学品的生产意义。

（2）反应器的性能：开发的涂覆有Rh/Al2O3催化剂的开孔泡沫反应器在高达800°C的操作温度和高空间速度下，展现了超过75小时的优异催化和电气稳定性，确保了长期连续运行的可靠性。

（3）接近热力学平衡的转化率：通过电化学方法实现高效的二氧化碳转化，其中二氧化碳转化率在高操作温度（如700°C以上）和高空间速度（例如eRWGS的600 kNl/kgcat/h和eCRM的100 kNl/kgcat/h）条件下接近热力学平衡。实验数据显示，在800°C和高空间速度下，逆向水煤气变换（eRWGS）反应的二氧化碳转化率可超过90%，这证实了所提出反应器设计在促进CO₂向合成气转化方面的高效性和实用性。这些结果突显了电化学技术在提高转化效率和推动工业应用中的潜力。

（4）显著降低的能耗：研究展示了通过电化学方法转化CO₂的能耗可以显著降低，eRWGS过程的特定能耗计算值低至0.7 kWh/Nm³CO₂ ，这实现了能源效率和成本效益的优化提供新途径。

04 图文解释