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儀器網(wǎng) 行業(yè)要聞】隨著我國工業(yè)化、信息化程度的提高及工業(yè)革命以來所形成的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，使我們的工業(yè)生產(chǎn)對化石
能源產(chǎn)生極大的依賴。但同時，由于煤、石油和天然氣等傳統(tǒng)化石燃料的過度使用已經(jīng)在世界引發(fā)了一系列亟需解決的環(huán)境問題。其中，影響最大的就是所謂的“溫室效應(yīng)”，正是大氣中過高濃度的二氧化碳所導(dǎo)致的。
節(jié)能、降本、增效是所有經(jīng)濟(jì)活動永恒的主題之一。國家能源局明確提出，“十四五”時期，我國將全力推進(jìn)能源領(lǐng)域碳達(dá)峰方案落地實施，推動能源綠色低碳轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展。“十四五”時期是為力爭在2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實現(xiàn)碳中和打好基礎(chǔ)的關(guān)鍵時期，必須協(xié)同推進(jìn)能源低碳轉(zhuǎn)型與供給保障，加快能源系統(tǒng)調(diào)整以適應(yīng)新能源大規(guī)模發(fā)展，推動形成綠色發(fā)展方式和生活方式。因此，充分有效的利用空氣中過量的二氧化碳成為目前解決環(huán)境以及能源問題的重中之重。
碳循環(huán)是一個氧化-還原過程，大氣中二氧化碳的積累本質(zhì)是人類活動所引起的碳氧化(燃燒)與還原的不對稱性，一定程度上實現(xiàn)減少使用碳或還原使用二氧化碳是實現(xiàn)低碳化的本質(zhì)。其實，二氧化碳作為一種經(jīng)濟(jì)的、安全的、可持續(xù)的碳氧資源化合物，將其轉(zhuǎn)化為液體燃料、
化學(xué)品的發(fā)展?jié)摿薮蟆?br />
但由于二氧化碳化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，需要施加額外的能量才能夠使其活化、轉(zhuǎn)化。目前，在實際工業(yè)過程中能夠利用二氧化碳的反應(yīng)不多，通常需要高溫、高壓等較為苛刻的反應(yīng)條件，是高能耗、低效率的過程。
近年來，電化學(xué)還原二氧化碳的研究在世界范圍內(nèi)掀起了熱潮，大量的重要成果不斷涌現(xiàn)。目前基于電化學(xué)方法開展二氧化碳電解合成燃料的主流技術(shù)主要包括低溫溶液電池、熔融碳酸鹽電池(MCEC)以及固體氧化物電池(SOEC)三種。在上述三種技術(shù)中，SOEC在高溫下將二氧化碳高效地轉(zhuǎn)化為一氧化碳與氧氣，可以和可再生電能與廉價熱源耦合，綜合成本最低。此外，由于固體氧化物電池可分為發(fā)電模式和電解池模式，逆反應(yīng)下還可以將氫氣、天然氣等燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，因此，在二氧化碳循環(huán)高效利用領(lǐng)域極具應(yīng)用價值。
2019年，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所燃料電池技術(shù)團(tuán)隊率先采用平管型結(jié)構(gòu)SOEC開展了二氧化碳電解合成燃料的效率與穩(wěn)定性研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在氫氣與一氧化碳保護(hù)下，經(jīng)過120小時的電解后電池衰減率分別為2.78%與3.84%，電池在一氧化碳、氫氣還原氛圍保護(hù)下表現(xiàn)出了一定的運行穩(wěn)定性。
2020年，團(tuán)隊通過改善電池性能，研究了平管型結(jié)構(gòu)固體氧化物電池電解二氧化碳的長期運行穩(wěn)定性及其效率。結(jié)果顯示，在750℃下，二氧化碳與氫氣濃度分別為75%與25%的氣氛環(huán)境中，以特定恒定電流密度電解二氧化碳運行接近2000小時，刷新此前公開文獻(xiàn)介紹的最長運行時間，衰減率為每千小時4.9%。
2021年底，團(tuán)隊聯(lián)合浙江氫邦科技有限公司，啟動二氧化碳電解及其可逆放電一體化的研制工作，于2022年3月份初步研制成功。所謂“電解及可逆放電一體化”，顧名思義，是指設(shè)備樣機(jī)可以通過設(shè)置程序模式實現(xiàn)兩種模式交替操作，從而實現(xiàn)電能-化學(xué)能-電能的交替轉(zhuǎn)變。并且由于固體氧化物電池中鎳基電極的多燃料適用性，燃料包括CO2、CO、CH4、NH3等氣體，該設(shè)備既可以催化電解二氧化碳，還可以用于電解水制氫。
為了使樣機(jī)電解二氧化碳的同時可實現(xiàn)電解水以及
甲烷濕重整，團(tuán)隊還自主研發(fā)了適用于燃料電池發(fā)電模式下的汽化器，同時研制了
超低流阻、低成本、高性能換熱器，主要用于尾氣能量的回收處理。目前，該5千瓦級可逆一體機(jī)造價在100萬元左右，其中核心部件電解池預(yù)計壽命在20000小時，因成本低，屬于易耗部件，可定期更換，該裝備壽命總體可達(dá)10年以上。
如今，二氧化碳的還原和利用備受各方的廣泛關(guān)注，作為一種重要的溫室氣體和工業(yè)生產(chǎn)中普遍生產(chǎn)的廢氣，對其進(jìn)行資源化利用對于環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)來說均意義重大，是近年來人們不斷努力的方向。盡管5千瓦級固體氧化物電池可逆一體機(jī)要想在短時間內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化，還需要克服裝備成本偏高等問題，但可以相信，隨著未來團(tuán)隊繼續(xù)對電池的波動性、可逆性進(jìn)行深入研究，固體氧化物電池各方面性能也將被提升。該項設(shè)備的開發(fā)，為國內(nèi)二氧化碳資源循環(huán)利用提供了新的技術(shù)路線參考。
(資料參考來源：寧波材料技術(shù)與工程研究所、科技日報)
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