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路璐教授在Cell子刊《Joule》上发表论文:水-能源-碳关联领域取得新进展
发布时间:2020-09-23 17:27:04 2811

【哈工大(深圳)宣】(土木与环境工程学院/文、图)日前,中国工程院院士、哈工大(深圳)教授任南琪领衔的城市水安全智慧管控团队核心成员,哈工大(深圳)土木与环境工程学院路璐教授在水-能源-碳关联研究领域取得新进展,相关成果于9月21日以研究论文形式发表于Cell旗下能源旗舰子刊《Joule》(影响因子27.054),论文题目为“Spontaneous sola r syngas production from CO2 driven by energetically favorable wastewater microbial anodes” (Lu. et al., Joule. 2020, 4, 1-13. https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.08.014)。

该论文报道了一种同时从污水和太阳光中获取能量,自发还原温室气体CO2和H2O,生成重要工业原料—合成气(CO和H2混合物)并同步净化污水的新方法。路璐为论文第一作者,哈工大(深圳)为第一完成单位,合作单位美国普林斯顿大学、圣地亚哥州立大学为通讯单位,该研究得到了深圳市海外高层次人才创新创业计划团队项目的资助。

路璐介绍说,化石燃料的使用释放出大量CO2,加剧了全球暖化。利用可再生能源将CO2转化为可储存、运输的燃料或高价值化学品,不仅有助于利用光能等间歇性可再生能源,同时可以减少CO2排放,实现碳中和,这代表了当今可持续能源发展的最新研究方向,但由于CO2分子的热力学稳定性和动力学惰性,如何高效地实现CO2还原(CO2RR)一直是研究的难点。近年来,光电催化CO2RR由于其高效、易于利用光能的特点,受到科学家的广泛关注,但这一技术在实际运用中,往往需要外加电压以克服CO2RR的能量势垒,很难实现自发反应。另一方面,污水处理工业每年消耗全球约3%的电能,同时,由于污染物降解导致排放全球约1.57%的温室气体,而污水中废弃有机物蕴含的化学能为约为所消耗电能的9倍。在这种情况下,如果能在污水处理过程中回收这部分可再生能量,将其用于还原CO2为化学燃料,便有望在一个系统内同时解决水-能源-碳可持续发展所面临的问题。

有别于传统光电催化通过氧化水来为CO2RR提供电子,本研究提出用微生物电化学氧化(MEO)污水中的废弃有机物来产生电子。通过回收有机物中的化学能,可将光电催化CO2RR的能耗降低80%,实现自发反应,同时实现污水处理、可再生能源回收与减碳。MEO为近年来环境科学领域的重要发现,其通过电活性细菌氧化污水中的废弃有机物(如碳水化合物、蛋白质、纤维素、有机酸、碳氢化合物等),将化学能转化为电能。如果将MEO阳极与半导体光阴极耦合,来构建新型的微生物光电化学(MPEC)系统,将大大降低氧化还原反应的总能量需求(图1A)。以氧化废水中的醋酸为例,利用MPEC还原CO2为CO,热力学能耗可由1.34 V降低至0.24 V。用MEO替代水氧化反应更为重要的科学意义在于,间接降低了人工光合系统对半导体能带的要求(图1A),允许使用禁带宽度较小的半导体,在可见光条件下实现自发CO2还原反应。

该研究以啤酒厂有机废水为处理对象,Ni单原子为CO2还原催化剂,硅纳米线为半导体材料,开发了新型能量管理电路,可主动收集、储存多个MEO的能量输出,用于克服CO2RR的能量壁垒和过电位,自发产生1.0~1.2 mA cm-2的光电流密度。还原CO2为CO的法拉第效率可达80%以上,生成合成气的法拉第效率高于96.6%,合成气的CO:H2比例可在0.1~6.8范围内调节(图2),同时废水中有机物的去除率可达90%以上。

据悉,这是路璐教授课题组继提出污水处理过程中的碳捕获和利用(Lu. et al., Nature Sustainability. 2018, 1: 750-758. 影响因子 12.08, Nature子刊)、实现人工光合自发污水产H2(Lu. et al., Energy & Environmental Science. 2019, 12: 1088-1099. 影响因子 30.289)后,在水-能源-碳关联领域取得的又一项创新性研究成果,将为生态环境保护贡献哈工大力量。(编辑 谢梁晖)

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图1. (A)半导体能带结构示意图;(B)MPEC系统驱动的CO2RR制备合成气示意图

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图2. 光电极表征和电化学性能测试. (A~D)Ni单原子的HAADF-STEM图片;(E~H)负载Ni单原子的硅纳米线的SEM图片; (I~J) 光阴极电化学性能测试