二氧化碳捕集及利用技術正成為全球應對氣候變化的重要手段，旨在捕捉導致氣候變暖的二氧化碳排放，並將其轉化為可用的化學品或燃料。然而，為了使這項技術具備商業可行性，必須能夠可靠運行數千小時，但由於設備內部的鹽分積聚等持續問題，這一直是一個挑戰。
目前，來自萊斯大學的研究人員發現了一個意想不到的簡單解決方案，針對電化學二氧化碳還原系統的一個主要瓶頸。研究團隊將二氧化碳氣體在進入反應器之前，通過輕微酸性液體進行氣體潮濕處理，而不是使用水。這一改進使系統的穩定性達到超過 4,500 小時，遠超傳統設置的 50 倍。
在這項研究中，關鍵問題是碳酸氫鉀。在傳統系統中，鉀離子會通過設備遷移並與二氧化碳反應，形成不易溶解的鹽，這會堵塞氣體流通通道，妨礙二氧化碳的傳輸，並導致電極淹水，最終導致系統提前失效。萊斯大學的化學和生物分子工程副教授、該研究的主要作者王浩天表示：“鹽的沉澱會阻礙二氧化碳的傳輸，並淹沒氣體擴散電極，這會導致性能失效。”這種情況通常在幾百小時內發生，遠低於商業系統所需的運行時間。
萊斯團隊用酸性替代品取代了標準的水基潮濕方法，使用了氫氯酸、甲酸或醋酸等溶液。這些酸蒸氣改變了局部化學環境，防止了鹽分結晶，形成的新鹽保持溶解狀態，隨氣體流動排出，避免了堵塞。
使用銀催化劑的測試顯示出顯著的效果。實驗室規模的設置穩定運行了超過 2,000 小時，而在一個面積為 100 平方厘米的電解槽中，系統在沒有重大問題的情況下運行超過 4,500 小時。相比之下，水潮濕系統在約 80 小時後因鹽分迅速積聚而失效。
值得注意的是，酸蒸氣方法在多種催化劑類型中均有效，包括氧化鋅、氧化銅和氧化鉍，顯示它能支持不同的二氧化碳轉化目標。研究團隊還觀察到，由於酸濃度保持在低水平，膜沒有顯著的腐蝕或損壞。
該研究的共同第一作者和博士後研究助理肖雲浩表示，他們假設“酸蒸氣可以溶解鹽，將低溶解度的碳酸氫鉀轉化為高溶解度的鹽，從而在不影響催化劑性能的情況下，將溶解度平衡調整到足以避免堵塞的程度。”研究人員甚至建造了透明反應器，以實時觀察該過程。使用水時，鹽晶體在 48 小時內形成，而在酸蒸氣的情況下，即使在數百小時後也沒有鹽分積聚。
該方法提供了耐用性和簡便性的罕見組合，萊斯大學的共同第一作者及研究生艾哈邁德·埃爾加扎表示：“我們的方法以低成本、易於實施的解決方案解決了長期存在的障礙。”這一進展有助於使二氧化碳利用技術變得更具商業可行性和可持續性。由於該方法僅需對現有的潮濕系統進行微小的調整，因而可以在不需昂貴重新設計的情況下，應用於工業規模的設備中。該研究已發表在《科學》期刊上。
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