二氧化碳熔盐电化学转化制碳电极过程机理与产品物性调控研究

It was demonstrated in our laboratory that some molten salts can effectively absorb CO2 and subsequently act as the electrolyte in an electrolysis cell in which the absorbed CO2 can be rapidly split to fine carbon and oxygen gas with a relatively high energy efficiency. The obtained carbon might be applied as active materials for supercapacitors, fuel cells and environmental protection. We named the process as molten salt CO2 capture -electrochemical transformation process (MSCC-ET process). The proposed project will systematically investigate the mechanism of cathode processes and the pricipal and method of product quality control. It consists of: (1) the thermodynamics and kinetics of the absorption reaction between CO2 and selected molten salts, as well as the effect of the composition, physicochemical properties of molten salts and temperature on the absorption reaction; (2) the electrode kinetics of the reduction of carbon containing species on the cathode to reveal the rate-determing step and the most suitable operation parameters; (3) the relationship between the morphology, structure, properties of the obtained carbon materials and the electrolysis conditions, the application of the carbon material in batteries, supercapacitors.(4) the effect of impurites (SO2) in flue gas on the electrode kinetics and the composition and properties of the obtained carbon. The results will contribute to form a solid ground for developing a novel, economical and "green" carbon dioxide capture and utilization process.

前期研究表明利用无机熔盐吸收并原位电解可将CO2转化为高储能容量(>400F/g）的先进碳材料和氧气，称之为熔盐CO2捕集-电化学转化(MSCC-ET)技术，深入认识其电极过程尤其是阴极过程机理对提高反应效率、调控阴极产物结构与性能十分关键。本项目在已有工作基础上，（1）通过建立在线气体检测高温电化学系统和设计具有原位观察窗的透明电解槽，研究MSCC-ET阴极过程机理， 搞清其中速控步骤和电流密度、沉积电位等参数对碳材料宏微观生长过程的影响规律；（2）通过研究阴极产物结构形貌与电控参数和熔盐组成与温度等体系参量的关系，掌握其形控机制；（3）研究电沉积碳材料的理化性质，考察其作为化学电源、超级电容器电极材料的性能和反应特征；（4）研究模拟烟气中杂质对电极过程和产物组成与性能的影响。研究结果将为发展由CO2高效制备高附加值碳材料的资源化新技术提供关键物理化学参数和理论指导。

利用可再生能源电力驱动二氧化碳捕集并资源化利用是实现碳中和的有效途径，发展过程清洁高效、产品附加值高市场需求大的二氧化碳资源化利用的电化学技术是核心。本项目以高温熔盐为二氧化碳的捕集剂和电解液，捕集二氧化碳制备高附加值的碳材料，重点从“CO2吸收反应”、“电化学还原动力学”、“碳材料生长过程与结构性能调控”三个方面开展研究，在此基础上，研究模拟烟气条件下 CO2 吸收和电化学转化的过程机理，探讨烟气杂质对电极过程和产物组成与性能的影响。通过研究，建立了测量高温熔盐捕集CO2容量和吸收动力学的实验技术，获得了熔盐组成、温度和气体分压对CO2吸收过程的影响规律；阐明了三元碳酸盐中CO2阴极还原的动力学，发现其中的速控步骤是“氧离子传质缓慢所导致的阴极钝化效应”，验证并优化了通过调节温度、电解液组成、吸收反应和电解参数等多种消除阴极钝化、加速反应动力学的方法，可将稳态电流提高至大于1A/cm2, 满足工业上大通量转化二氧化碳的要求。 获得了不同条件下阴极碳材料的生长规律和碳材料结构性能调控方法，制备了碳纳米颗粒、碳纤维、中空碳球、超薄碳片、石墨等一系列碳产物，揭示了所得碳材料在锂离子电池、超级电容器和污染物吸附等领域的应用性能和发展潜力; 阐明了三元碳酸盐中模拟烟气条件下CO2和SO2共捕集和共还原的捕集和资源化利用潜力，发现熔盐体系可同时捕集CO2和SO2并将之转化为硫掺杂的碳材料，发现少量SO2不仅不会减缓反应动力学，而且硫的共还原还有利于实现碳材料的低温石墨化。本项目研究结果可为发展一项新的经济高效的CO2捕集和资源化技术提供物理化学参数和理论指导，项目已发表研究论文 21 篇，申请专国家发明专利6项。