单元堆栈：由合成树脂制成的低成本电解质为单元提供了额外的稳定性  图片来源：Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

莱茵地区的煤炭不仅是发电的重要燃料，化学工业也使用它来生产重要的基本化学品。但到煤炭逐步淘汰时，这些物质必须从其他可再生能源获得。一个例子是一氧化碳，简称CO，这是生产某些塑料和醋酸所必需的。

为此，位于欧洲的尤利希研究中心的科学家正在研究一种基于可再生发电的气候友好型技术，使用二氧化碳电解，将温室气体二氧化碳直接转化为一氧化碳。研究人员现在已经克服了一个重要障碍，并为大规模应用开发了一个可扩展的单元堆栈。

这项研究是结构变革项目iNEW的一部分，该项目旨在通过引入基于可再生的流程来促进莱茵地区就业的增长和保持。

“CO通常是由工厂大规模在现场生产的。它很难运输，因为它是一种有毒且高度易燃的气体，”尤利希能源和气候研究所（IEK-9）的研究生Maximilian Quentmeier解释道。通常，煤炭在没有足够氧气的情况下燃烧以产生气体CO。

但在煤炭逐步淘汰后，将需要其他流程。将来，作为基本化学品仍然需要一氧化碳，例如需要这种气体来生产聚碳酸酯和聚氨酯，这是用于制造眼镜镜片和绝缘面板的材料。

Maximilian Quentmeier和他的主管Bernhard Schmid一起，正在研究一个也被称为CO2-CO电解的过程。该方法使用所谓的气体扩散电极：一种多孔电极，在其背面提供二氧化碳，而电极正面毗邻液体或固体电解质。电极连接两种介质和电流，从而确保最终产生“绿色”一氧化碳（CO）。

这个过程不仅对化学工业有吸引力，还有助于气候保护。当用可再生能源电力运行时，二氧化碳电解工厂将不对气候产生影响。如果二氧化碳来自大气层，例如通过直接空气捕获，或来自沼气的收集，该技术甚至可能是气候阴性的（也就是能够帮助减碳）”Bernhard Schmid解释道。

总而言之，该技术可以帮助积极降低大气中的二氧化碳浓度。Bernhard Schmid说，原则上，未来的可再生塑料会成为类似于木材的碳汇（carbon sink）。

实现实际应用的里程碑

Quentmeier和Schmid两位研究人员在商业化道路上已经达到了一个重要的里程碑。他们通过多次改进和更换组件，成功地将单个单元转换为堆栈式电解器，并在各种性能测试中进行了测试。结果最近发表在ACS可持续化学工程期刊上。

在堆栈中，单元格紧密地相互叠加。堆叠较小的单元比大型单个单元的制造成本低得多。“在从单个单元开始设计堆栈时，有几个方面需要考虑。例如，气体反应的单元有多个腔室，这些腔室在实验室尺寸上通常不受支持。堆栈的单元必须承受压缩力，同时保持渗透性，”Quentmeier解释道。

在现实过程条件的假设下，于利希研究人员为此优化了气体流场和电流收集器的设计。不使用通常的液体电解质，而是使用由离子导电合成树脂制成的聚合物电解质通过的固体流作为支撑元件，在结构上支撑电解质间隙。

由于巧妙的阳极设计，研究人员还能够完全省略膜和阳极之间的电解质室。对于堆

栈，相邻单元的正负电极、阴极和阳极被连接两个电池的单个组件（双极板）所取代。

在当前使用未针对效率优化的模块化组件的实验设置中，堆栈实现了30%的效率。研究所所长Rüdiger-A教授解释说，对于已经在100°C以下运行的这种过程来说，这已经是一个相当有希望的结果。

例如，与高温共电解相比，工厂设计相对简单，生产纯一氧化碳而不是合成气体，这进一步简化了许多应用的处理。因此，能够以去中心化方式向莱茵地区的工业公司提供基础化学品CO，从而节省运输成本，”Rüdiger-A说。下一步是进一步发展和提高效率，使单元堆栈进入大规模生产准备的最后阶段。

编译：htb