自然界的穩(wěn)定離不開一個(gè)至關(guān)重要的平衡——碳循環(huán)。工業(yè)革命之后，大量化石能源的消耗在一定程度上打破了這種平衡，導(dǎo)致大氣中二氧化碳這種溫室效應(yīng)氣體的濃度迅速上升。

越來越多的研究表明，這種失衡與近些年的全球變暖和極端天氣頻發(fā)存在顯著相關(guān)性。

好消息是，人類社會(huì)在控制碳排放和能源轉(zhuǎn)型方面逐漸達(dá)成共識(shí)，中國也適時(shí)提出了自己的雙碳目標(biāo)。

而這些愿景的達(dá)成離不開碳捕集、利用與封存技術(shù)。其中，催化二氧化碳轉(zhuǎn)化是極具潛力的負(fù)碳手段之一。

理想狀況下，它能像自然界中的光合作用那樣，將排放的二氧化碳再次轉(zhuǎn)變?yōu)樘細(xì)浠衔锘蛞谎趸肌?

多年來，天津大學(xué)劉樂全副教授課題組一直從事催化研究，致力于針對(duì)能源與環(huán)境領(lǐng)域的挑戰(zhàn)做一些有科學(xué)意義的工作，主要包括光催化全水分解和可再生電力驅(qū)動(dòng)的二氧化碳還原等。

“兩者在表界面的催化反應(yīng)上有很多共通之處。尤其是電催化在微觀尺度上對(duì)于反應(yīng)的認(rèn)識(shí)相對(duì)更加深入，所以它們之間可以相互借鑒，這也是我們同時(shí)開展光和電催化的初衷?！眲啡f。

部分學(xué)者提出了引入具有季銨結(jié)構(gòu)離聚物的思路，并已取得不錯(cuò)的效果，但是這些高分子在大偏壓下的穩(wěn)定性值得關(guān)注。

2023 年，中國可再生能源發(fā)電量占比已經(jīng)超過三分之一。而在世界范圍內(nèi)，新增太陽能發(fā)電占全球總量的 51%?？梢灶A(yù)見的是，這一占比還會(huì)進(jìn)一步提升。

所以，基于可再生電力驅(qū)動(dòng)的二氧化碳還原反應(yīng)，是一種非常有潛力的碳捕集、利用與封存技術(shù)。

但是，其也面臨著幾個(gè)重要挑戰(zhàn)。其中就包括如何提高工況條件下單一產(chǎn)物的選擇性（法拉第效率），尤其是在膜電極組件中提高這一效率。

目前來看，該技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用需要落腳在由膜電極組件組成的電堆上。

自 2017 年開始，劉樂全課題組聚焦于電催化方面的工作。

在近期一項(xiàng)研究中，他們嘗試解決如何在膜電極組件中提高大電流密度下的二氧化碳還原反應(yīng)選擇性的問題。

此前，關(guān)于二氧化碳還原反應(yīng)的大量研究都表明，溶劑化的堿金屬陽離能夠顯著提升碳?xì)浠衔锘蛞谎趸歼x擇性。

但是，在膜電極組件體系中，陰極通入的是濕潤二氧化碳，沒有電解液。

所以，如何在膜電極組件中使用這種陽離子效應(yīng)，成為一個(gè)非常有吸引力但同時(shí)又富有挑戰(zhàn)的課題。

部分學(xué)者提出了引入具有季銨結(jié)構(gòu)離聚物的思路，并已取得不錯(cuò)的效果，但是這些高分子在大的偏壓下的穩(wěn)定性值得關(guān)注。

孫燕慧是劉樂全課題組近期一篇論文的第一作者。她一開始是劉樂全的碩士研究生，大約兩年前開始在該團(tuán)隊(duì)讀博。

“在給她定課題的時(shí)候，我們花了很長時(shí)間進(jìn)行調(diào)研和討論，因?yàn)椴┦可闹芷诟L，所以需要更加慎重?！眲啡f。

那時(shí)，關(guān)于這方面的研究大多集中在 H-Cell 體系和 Flow Cell 體系，關(guān)于膜電極組件的研究成果還比較少。

但是，他們當(dāng)時(shí)隱約覺得這個(gè)領(lǐng)域要想真正走向應(yīng)用，需要落腳在膜電極組件等這種更容易獲得大電流并且能較耗低的體系上?；诖?，他們選擇在膜電極組件體系之中開展本次研究。

“至于具體的想法，則來自于我跟孫燕慧的討論，當(dāng)時(shí)她在嘗試 Ni-N-C 材料，這是一類非常好的選擇性產(chǎn)一氧化碳的催化劑，其相關(guān)研究也已經(jīng)比較多了?！眲啡f。

他繼續(xù)說道：“可能是因?yàn)樵谖业臐撘庾R(shí)里，一直存在如何在膜電極組件中使用陽離子效應(yīng)的困惑，所以才瞬間產(chǎn)生了是否可以在碳材料上錨定堿金屬陽離子的想法。”

孫燕慧在嘗試之后，也發(fā)現(xiàn)這個(gè)方法確實(shí)是可行的。

“幸運(yùn)的是，我們成功驗(yàn)證了這個(gè)想法，這是很開心的一件事情?！眲啡f。

而為了說明本次方法的普適性，他們特意使用商業(yè)化的銀來作為催化劑。

孫燕慧不僅實(shí)現(xiàn)了符合預(yù)期的性能，還在論證錨定離子的作用機(jī)制上做了大量工作，甚至動(dòng)手搭建了一些裝置。

同時(shí)，他們還結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)做了理論模擬，得到了具有統(tǒng)計(jì)意義上的計(jì)算結(jié)果。

最后，通過與商業(yè)多晶硅進(jìn)行器件集成，讓太陽能到一氧化碳能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到 8.3%。