香港理工大學研發高效能電催化二氧化碳還原系統

　　本網訊 全球暖化給人類社會和生態系統持續帶來威脅，而主導氣候變暖的溫室氣體中，佔最主要比重的正是二氧化碳。為應對氣候變化的問題和邁向促進碳中和的目標，香港理工大學(理大)的研究團隊成功研發一套耐久、高選擇性、高效的二氧化碳電還原系統，可以將二氧化碳轉化成化學品原料乙烯，作其他工業用途，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期刊《Nature Energy》發表，并于第 48 屆瑞士日內瓦「國際發明展」獲得金獎。

　　劉樹平教授團隊研發的電催化二氧化碳還原系統可以加速二氧化碳電催化技術的發展，有可能徹底改變現代化石燃料能源系統。

　　乙烯(C2H4)是其中一種需求量最大的化學品，主要應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用物理學系系主任劉樹平教授領導的研究團隊，采用電催化二氧化碳還原的方法，利用綠色的電能，令二氧化碳轉化為乙烯，為生產乙烯提供另一更環保、更穩定供應的方法。研究團隊正在大力推動這項新興技術，令其可以更接近大規模生產，以促進碳循環和碳中和。

　　劉教授采用了創新的方法，棄用鹼金屬電解質，改用純水作為不含金屬的陽極電解液。研究團隊設計的電催化二氧化碳還原 APMA 系統，其中A代表陰離子交換膜 (AEM)，P 代表質子交換膜(PEM)，MA 表示由此產生的薄膜元件。研究人員構建了一組含有無鹼金屬 APMA 和銅電催化劑的電池堆，產生出的乙烯具有50%的高特異性。這套設計還可以在 10 安培的工業級電流下運行超過 1,000 小時，使用壽命較現有系統大幅延長，意味著該系統可以輕松擴展至工業規模。

　　其他測試顯示該系統能抑制碳酸根離子和鹽沉淀的形成，而二氧化碳或電解質均未有流失。相對之下，舊有使用雙極膜而不是 APMA 的電解池會因為鹼金屬離子從陽極電解液中擴散而令電解質流失，所以這點便特別重要。氫氣與乙烯競爭形成是另一種在早期使用酸性陰極環境系統上出現的問題，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的另一主要特征。眾所周知，整個化學工業中均以銅用來催化各種反應。不過，理大團隊的特制催化劑卻善用了銅的某些特點。數以百萬計的納米級銅球紋理表面豐富，具有原子臺階、堆疊斷層和晶界。相對于完美的金屬結構，這些「缺陷」為反應提供了高能活性表面。

　　劉教授指：「研究團隊已計劃進一步改進系統，以提高產物選擇性，并與工業界開展合作。APMA 電池設計能革新乙烯和其他有價值化學品的生產模式，邁向綠色生產，為減少碳排放和達至碳中和的目標作出貢獻。」

　　這項創新研發為理大聯同牛津大學、臺灣國家同步輻射研究中心和江蘇大學研究人員的合作成果。