基于反向电渗析生物电化学系统的二氧化碳催化还原与机制研究

For the rapid development of economy and advance of industrialization，the "greenhouse effect" due to CO2 emissions gradually become the barrier of the Chinese national economy. Therefore, strict medium and long term goals to reduce the CO2 emission and low carbon environmental policy have been formulated in China. For these national significant applications, a multidisciplinary integrated bio-electrochemical reverse electrodialysis CO2 fixation system was proposed in this project. This system could drive CO2 electrocatalytic reduction in cathode by in suit converting the chemical energy in sewage and the renewable salt gradient energy into electricity, which made the system achieved energy self-sufficient. Around the key scientific and technological issues in this project, the in situ conversion and utilization of the renewable energy, the construction of the health sustainable carbon cycle and the composition of effective dioxide catalytic system on three dimensional nano network carbon base frame work were included in investigation. By revealing the catalytic mechanism of the electricity catalysis and photoelectric synergistic catalysis in moderate water solution circumstance, this system could realize high efficient conversion of CO2 fixation and provide new pathways and solutions for high value utilization of CO2.

随着我国经济的快速发展，工业化进程的迅猛推进，由CO2排放导致的“温室效应”日益成为制约国民经济发展的重要屏障。为此，我国制定了CO2减排的中长期目标并提出了低碳型环境政策。本课题针对该这一国家重大需求，基于生物电化学原理，提出了能量自驱动的反向电渗析CO2固定新系统。该系统可将污水中的化学能结合盐差能直接转化为电能，驱动阴极CO2电催化系统的运行，实现系统能量自给下的CO2固定转化。围绕系统构建中的关键科学与技术问题，以可再生能源的原位利用，健康可持续的碳元素循环和基于三维纳米网络碳基载体的高效二氧化碳催化复合体系的构建为研究内容，揭示水环境温和条件下电催化和光电协同催化的作用机理，最终实现CO2的高效转化固定，为CO2的高值利用提供新的方法与途径。

本项目针对CO2减排和碳基能源高值利用国家重大战略需求，围绕CO2电催化过程中节能和高效转化的关键科学问题，通过构建反向电渗析生物电化学CO2催化还原自驱动系统，借助于高效催化剂及综合调控策略提高CO2的转化效率，延长CO2的生命周期，实现CO2高值利用下的高效转化及资源化。根据这一理论设计，本项目首先合成并评价了一系列Cu、Sn、Bi、Ti基的光/电催化剂，通过对催化剂形貌结构及电子结构的定向调控实现CO2向甲酸的高效转化；解析催化剂微纳尺寸、电极结构及界面特性参数（表面粗糙度、比表面积、界面反应活度等）对催化性能的影响并获得了高达~100%的甲酸法拉第电流效率。在此基础上，以离子交换膜堆栈作为盐差能回收模块，以开发的高效电极材料为阴极，设计并构建反向电渗析生物电化学CO2还原系统。通过流道设计、网格参数、膜对数、浓淡水流速、外阻及阴、阳极负荷等综合调控手段提升系统的输出电流、电极电位及CO2还原效率，使得系统产甲酸最大法拉第电流效率达到90%的同时阳极COD去除达到85%。最后，通过构建系统中碳元素生命周期评价模型，综合评估该系统碳减排前景。本项目的开展为实现污水处理过程中温室气体的高效固定提供理论基础和技术支撑，对发展污水处理低碳排技术提供了新思路。