全球暖化給人類社會和生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)帶來威脅，而主導(dǎo)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(yīng)對氣候變化的問題和邁向促進(jìn)碳中和的目標(biāo)，香港理工大學(xué)(理大)的研究團(tuán)隊(duì)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(tǒng)，可以將二氧化碳轉(zhuǎn)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(nèi)瓦「國際發(fā)明展」獲得金獎。

劉樹平教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的電催化二氧化碳還原系統(tǒng)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(xiàn)代化石燃料能源系統(tǒng)。

乙烯(C2H4)是其中一種需求量最大的化學(xué)品，主要應(yīng)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石化資源，制造過程碳排放高。

由納米材料講座教授兼應(yīng)用物理學(xué)系系主任劉樹平教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，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(zhuǎn)化為乙烯，為生產(chǎn)乙烯提供另一更環(huán)保、更穩(wěn)定供應(yīng)的方法。研究團(tuán)隊(duì)正在大力推動這項(xiàng)新興技術(shù)，令其可以更接近大規(guī)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極電解液。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的電催化二氧化碳還原 APMA 系統(tǒng)，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(gòu)建了一組含有無堿金屬 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(shè)計(jì)還可以在 10 安培的工業(yè)級電流下運(yùn)行超過 1,000 小時(shí)，使用壽命較現(xiàn)有系統(tǒng)大幅延長，意味著該系統(tǒng)可以輕松擴(kuò)展至工業(yè)規(guī)模。

其他測試顯示該系統(tǒng)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 的電解池會因?yàn)閴A金屬離子從陽極電解液中擴(kuò)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(tǒng)上出現(xiàn)的問題，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(tǒng)的另一主要特征。眾所周知，整個(gè)化學(xué)工業(yè)中均以銅用來催化各種反應(yīng)。不過，理大團(tuán)隊(duì)的特制催化劑卻善用了銅的某些特點(diǎn)。數(shù)以百萬計(jì)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(jié)構(gòu)，這些「缺陷」為反應(yīng)提供了高能活性表面。

劉教授指：「研究團(tuán)隊(duì)已計(jì)劃進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)，以提高產(chǎn)物選擇性，并與工業(yè)界開展合作。APMA 電池設(shè)計(jì)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(dá)至碳中和的目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。」