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碳达峰、碳中和背景下的电化学:我们可以做什么

时间:2022-09-29 04:17:07 来源:科普之家 作者:光伏大数据 栏目:前沿 阅读:171

每逢夏日炎炎,总有关于各种形容天气炎热的段子在朋友圈和微博广为流传,无不彰显着网友们的幽默风趣,以及对炎热天气的调侃。例如,有人说:我今天在路上看到了一块钱硬币,踌躇了半天愣是没敢捡,因为我怕被烫伤!也有人说,我今天中午点了一份冰粉,可得抓紧吃,要不一会就热啦。虽然这些段子给我们生活带来一些调剂,但是,在段子的背后,我们不能不思考,为什么现在的天气变得这么热?过度炎热的天气给我们带来了什么样的影响?我们应该如何解决这个问题?

19世纪中叶,蒸汽机的发明为人类社会文明的发展带来了持久的能源动力,自此,人类的发展伴随着煤炭、石油等化石能源的大量消耗,其产生的大量二氧化碳(CO2)也随之排放到大气中,导致大气中CO2含量逐年增加。CO2作为主要的温室气体之一,一方面,加剧了对太阳热量的吸收,另一方面,又阻碍了地球的热量向宇宙星空的辐射,这就相当于给地球穿上了一层厚厚的自热棉衣,所以,我们的地球“发烧”了。

据美国有线电视新闻网2022年7月20日报道1,受异常高温天气影响,格陵兰岛北部冰山正在快速融化,每日有约60亿吨冰消融,足以灌满720万个奥林匹克游泳池。若格陵兰岛冰盖全部融化,海平面将永久上升7.5米。

图1. 融化中的格陵兰岛冰盖1

冰川融化仅仅是温室效应带来的直接问题之一,随之而来的间接性、延伸性的极端气候变化、土地沙化、海平面上升、生态系统危机等无不威胁着人类的可持续发展。在这样的背景和危机中,2020年9月22日习近平主席在第75届联合国大会中郑重宣示:“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。”

毫无疑问,解决温室效应最主要的手段,就是降低大气中温室气体的含量,一是逐步减少排放,可以预见,2030年前达到“峰值”后,将逐年减少排放量,这就是“碳达峰”目标;二是消耗大气中CO2,直到达到排放和消耗的平衡,这就是“碳中和”目标。作为一名电化学领域的科研工作者,我们不禁审视自身:电化学,可以做些什么呢?

众所周知,CO2来源于化石能源,也就是煤炭、石油等燃烧过程的排放,那么,我们可以把CO2反过来变成燃料吗?

图2. “液态阳光”技术路线4

2017年,大连化物所李灿院士团队,在《Science Advance》报道了将CO2转化为甲醇的重量级成果2,提出了“液态阳光”的概念3,即利用太阳能、风能等发电,进行电催化分解水产氢,然后氢气与CO2在催化剂作用下结合生成甲醇,即“液态阳光”—甲醇(技术路线见图2所示,图片来源于网络4)。2020年1月,“液态阳光”示范项目投料试车(见图3,位于兰州的示范工厂5),这是全球范围第一次直接太阳能转化为燃料的规模化合成的尝试,该项目每年预计消耗CO2约2000吨,生产甲醇约1500吨,标志着我国利用可再生能源制备液体燃料迈出了工业化的第一步!

图3. 位于兰州的“液态阳光”示范工厂全景图5

固然,我们可以将CO2通过可再生电能转化为燃料,那么,我们是否也可以将CO2直接转化为具有高附加值的终端产品呢?“电化学有机合成”成为这一转化路线的主要工具。

“电化学有机合成”是利用“电子”作为清洁还原试剂来将CO2进行活化,然后进一步固定得到具有高附加值的碳酸酯、羧酸及其衍生物等与我们生活息息相关的精细化学品。本小组利用“电化学”技术在CO2电羧化固定制备高值化学品领域做了大量的工作。

作为神经阻滞剂药物卡波卡因(一种麻醉剂),吡啶-2-甲酸是重要原料之一。本小组以溴吡啶和CO2作为初始原料,利用电化学技术,在温和的条件下,以较高的效率得到了羧化产物吡啶-2-甲酸6,(见图4)。该反应不仅实现了将CO2转化为具有高附加值的产物,也实现了CO2的重复利用,将CO2变“废”为“宝”,有助于进一步促进碳循环的进程。

图4. 溴吡啶电羧化示意图6

当然,作为电化学技术,电的能量来源也是一个关键性问题,目前,大量的电能仍然还是来自于火电厂,因此,若将光催化跟电催化结合起来,光电池将太阳能转化为电能,电能催动电催化化学反应,将CO2转化为高值化学品,势必成为一个十分具有前景的技术策略。

我们的电化学催化事业,以及“双碳”目标的尽快实现,都需要您的加入!

参考文献:
1.https://edition.cnn.com/2022/07/20/world/greenland-heat-wave-ice-melting-climate/index.html

2.Wang, J.; Li, G.; Li, Z.; Tang, C.; Feng, Z.; An, H.; Liu, H.; Liu, T.; Li. C. A highly selective and stable ZnO-ZrO2 solid solution catalyst for CO2 hydrogenation to methanol. Sci. Adv. 2017, 3,1701290.

3.王芳,风能,2021, 01, 24.

4.https://www.sohu.com/a/496543609_120469235

5.http://finance.sina.com.cn/jjxw/2022-08-19/doc-imizirav8849775.shtml

6.Zhang, Y.; Yu, S.; Luo, P.; Xu, S.; Zhang, X.; Zhou, H.; Du, J.; Yang, J.; Xin, N.; Kong, Y.; Liu, J.; Chen, B.; Lu, J. Fixation of CO2 along with bromopyridines on a silver electrode. R Soc Open Sci, 2018, 5, 180897.


导师简介

陈宝丽,博士,硕士研究生导师,聊城大学“光岳英才”。主要从事CO2的电化学固定利用等相关研究工作。主持并完成国家自然科学基金、山东省自然科学基金、聊城市科学发展计划项目等多项基金。作为重要参与人参与山东省青创团队基金项目1项。近年来,在国内外重要期刊发表SCI论文10余篇,申请国家发明专利7项,其中授权3项,作为主要参与人参编教材1部;指导本科生获聊城大学优秀毕业论文1项,指导本科生完成国家级创新创业训练计划项目1项。

招生专业:物理化学

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