在所有研究的C1产物中，CO是目前基于ILs电解质的CO₂R唯一可以盈利的产物。而其他产物的TPC过高，难以盈利，特别是CH₄和H₂/CO(2:1)的TPC分别是4.09和2.99 Euro kg^-1，与市场价（0.18-0.35和0.03-0.54 Euro kg^-1）相差甚远。这一现象与生成各个产物的CO₂R性能优劣相符，生成CO的电流密度和FE已分别高达182.2 mA cm^-2和99.7 %，而对于CH₄和H₂(2:1)，其电流密度分别低至25.6和11.4 mA cm^-2。对各个产物的资本成本和运营成本的详细分析进一步表明了CO₂R的性能（电流密度、FE和电池电势）是影响其TPC的关键因素。在所假设的未来条件下（较高的电流密度和FE以及较低的电池电势），随着CO₂R性能的提高，所有产物的TPC均明显减少。对于CO，当电流密度提高到600 mA cm^-2，电池电压降低到2 V时，TPC下降到0.32 Euro kg^-1，接近其市场最低价的一半，表明了通过CO₂R生产CO具有良好的发展前景。当电流密度达到600 mA cm^-2，FE达到99 %，电池电压降低至1.5 V时，CH₃OH作为目标产物可以盈利。当CO₂R性能提高到一定程度的时候，H₂/CO(1:1)作为目标产物也有盈利的可能。然而，对于CH₄和H₂/CO(2:1)，即使CO₂R性能达到理想水平，依旧难以盈利，这一方面是由于其较低的市场价。另一方面，对于CH₄，在所研究的C1产物中，其生成需要转移最多数量的电子（8e^-），耗能最大可能是其难以盈利的另一个原因。

图3. CO₂R转化为C1产物的经济评估

为了全面了解关键参数如何影响由CO₂R生产C1产物的TPC，进行了两种假设情形下（较好和较坏的情况）的敏感度分析。该分析考虑了电流密度、FE、电池电势、CO₂价格、电价、电解槽成本等参数。结果表明，对于所有的目标产物，FE是影响TPC的最大因素，相反，CO₂的价格对TPC的影响可以忽略不计。电流密度和电池电势对各个产物TPC的影响程度取决于CO₂R本身的性能。当CO₂R本身的性能较差时，电流密度和电池电势的微小变化会导致TPC的明显变化。此外，电价和堆栈价格的波动也会引起TPC较为明显的变化。

5. CO₂R转化为C1产物的环境分析

基于ISO 14040/14044框架，以全球变暖影响（GWI）为主要指标，采用生命周期评估（LCA）对由CO₂R生产C1产物过程的环境影响进行评估。结果显示，在研究的C1产物中，生产CH₃OH的GWI最高（0.88 kg-CO₂e kWh^-1），且高于煤制CH₃OH工艺（0.47 kg-CO2e kWh^-1），这是由于生产CH₃OH时，CO₂R和液体分离过程中消耗了大量的能量。CH₄的GWI最低（0.27 kg-CO2e kWh^-1），与热化学CO₂转化生产CH₄的GWI相当（0.27 kg-CO₂e kWh^-1），这表明相较于其他产物，从CO₂R生产CH₄是最为环境友好的路线。虽然目前没有关于通过其他方法生产CO的GWI的报道， 但由CO₂R生产CO的GWI与CH₄相当，且比由CO₂R生产CH₃OH和H₂/CO(1:1)的GWI低。因此，从环保角度来看，CO是比CH₃OH和H₂/CO(1:1)更具吸引力的产物。

通过对近年来对基于ILs电解质的CO₂R转化为C1产物（CO, CH₃OH, CH₄和合成气）文献报道的总结表明，大量的基于ILs电解质的CO₂R研究集中在转化为CO产物上，并显示出了最好的性能，电流密度接近工业标准（200 mA cm^-2），FE接近100 %。此外，含有咪唑阳离子的ILs是目前最常用的电解质，通过形成CO₂-咪唑中间体化合物提高CO₂R性能。ILs的粘度、导电率、阳离子与阴离子之间的相互作用等因素都会影响其效率，可通过添加水或有机溶剂、改变咪唑阳离子的碳链长度、选择不同的阴离子等方法进行优化。

对CO₂R转化为C1产物的过程进行了经济和环境分析。基于目前实验室最先进的水平，CO是唯一可以盈利的产物。未来随着CO₂R性能的提高，CH₃OH和H₂/CO(1:1)的合成气有可能实现盈利。然而，CH₄和H₂/CO(2:1)的合成气很难盈利。从环境影响角度而言，CH₄是CO₂R路径中最环保的产物，其次是H₂/CO(2:1)的合成气和CO，最后是CH₃OH。

综上所述，对于基于ILs电解质的CO₂R，结合经济和环境分析，基于最先进的实验室研究成果，CO₂R转化为CO的路径最具商业潜力。对于其他C1产物，需要进一步提高CO₂R性能或开发更先进的电解槽。此外，在未来的CO₂R中还应进一步开发和利用ILs的优势:

（1）ILs在结构和性能上的可调性为设计更高效的CO₂R电解质提供了独特的优势和可行性；

（2）ILs可溶解多种溶剂和电解质的能力可以整合其它溶剂和电解质，进一步提高CO₂R的性能；

（3）可设计合成用于CO₂R的更加清洁的ILs，以减轻环境负担；

（4）除作为电解质外，ILs还可作CO₂R的共催化剂或性能优异的催化剂的改进剂。

本文内容来自吕勒奥理工大学吉晓燕教授团队发表在Industrial Chemistry & Materials的文章: Electrochemical CO₂ reduction with ionic liquids: Reviewing and evaluating，https://doi.org/10.1039/D2IM00055E。

文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/im/d2im00055e

通讯作者

吉晓燕，瑞典吕勒奥理工大学教授。于2000年获得化学工程博士学位，在化学工程和能源工程领域拥有超过25年的研发经验。分别参与中国、瑞典、德国和美国的研究小组项目。研究工作为从理论建模到技术开发，以及过程仿真和评估。2008年在吕勒奥理工大学能源科学系开始工作，并创建了“能源应用的先进流体材料”研究小组，重点研究CO₂捕获/分离、CO₂电化学转化、电池用先进电解质以及通过电化学过程耦合产氢的木质素转化。在Appl. Energ., Environ. Sci. Technol., ACS Appl. Mater. Interfaces, Green Chem.等期刊发表论文200余篇，总被引4500余次，h指数为35。担任期刊Industrial Chemistry & Materials编委。

第一作者

李阳硕，现于吕勒奥理工大学能源科学系吉晓燕教授课题组攻读博士，研究方向为基于ILs电解质的二氧化碳还原转化为一氧化碳。