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1. 高温熔盐CO₂电解池示意图

高温熔盐CO₂电解池用于捕获CO₂，并将捕捉的CO₂通过电化学转化为有商业价值的固体碳、氧气和一氧化碳。该电解池主要包括电解质、电极和外部电源，如下图1所示。高温熔盐电解液利用温度（高于或等于熔点）使得固态盐熔融成液态。液态熔融盐捕捉CO₂并起到转移离子的作用。电极则被用来转移电子和电解反应。通过热力学计算和实验结果，CO₂在更恶劣实验条件的条件下（更高温度或者更极端电压）被分解为氧气和一氧化碳，而不是氧气和碳。

图1. 高温熔盐二氧化碳捕捉和电还原示意图

许多二氧化碳捕获和转化方法被广泛研发并通过了实验验证，如下图2。高温熔盐电解法能够在捕捉CO₂的同时永久转化其为固体碳材料和氧气。这种捕捉和转化二合一的特性使得高温熔盐电解法能够运用到传统化石燃料工业。 熔盐CO₂电解始于 20 世纪 60 年代，自 2000 年代以来迅速扩展。不同于其他CO₂捕集得到提纯的CO₂，熔盐电解产物是固体碳和气体氧气，能提供多种高质量碳材料和操纵其纳米结构，所表现引起了研究的兴趣及发展。

图2. 常见的CO2捕捉和转化方法

如图1中所示，CO₂首先被电解液中的氧离子（O^2-）或碳酸根离子（CO₃^2- ）离子吸收并转化为CO₃^2-或C₂O₅^2-。然后CO₃^2-在阴极上通过4电子转移从而进行还原反应，在阴极上积碳并释放氧离子。氧离子在阳极表面失去电子生成氧气。然而，在更高温度下（图4），CO₃^2-会经历 2 电子转移，而不是 4 电子转移，并且在阴极上形成 CO作为最终产物。值得注意的是，碳酸根离子的运动与电场相反。因为还原反应仅发生在阴极上，碳酸根离子浓度梯度的驱动力超过了电场的排斥力，但相关的工艺机制还需要更进一步的探究和讨论。

除熔盐外，电解液包括水溶液、离子液体和固体电解质。不同的电解质因为特性不同而表现出多样化的选择性、产物和效率。考虑其电化学窗口、副反应、CO₂溶解度和反应动力学，高温熔盐作为电解液有着不俗的表现。常见的高温熔盐含有 Li⁺、Ca²⁺、Na⁺和 K⁺的碳酸盐、氯化物和氧化物。因为各类盐各具有明显的优点和缺点，所以它们通常混合在一起以获得最佳性能，例如较低的熔点，CO₂ 溶解度或者电流效率（如图3）。对于氯化盐而言，因为其CO₂ 溶解度近乎于零，它必须混合氧化物或者碳酸盐。氧化物作为添加剂时，常见范围为1 wt% 至 30 wt%。添加物不仅可以帮助捕捉CO₂，还可以改变积碳的形貌。此外，熔盐中阳离子的选择也需要考虑电化学窗口以避免金属析出和低电流效率。

 该电解系统中的另两个关键元件是阳极和阴极，分别负责氧气析出和碳沉积。因此，阳极材料必须促进氧气产生或者有强抗氧化性来保持原本的特性，而阴极应具有足够的活性区域来促进碳沉积或者生成特定碳纳米结构。尽管反应不同，这两种电极仍然具有一些共同的特性，例如在熔盐的恶劣环境下的耐腐蚀能力。目前，不同的材料，包括金属，合金，金属氧化物，已经被测试且运用在熔盐CO₂电解系统中。

图3. 常见高温熔盐对CO₂ 的捕捉量（a）和电流效率（b）

如图4所示，温度和电压共同影响着电解反应，对电解过程和产品成分起着至关重要的作用。在温度和电压逐渐升高的时候，碳生成量先因为反应势能的满足而增加，随后因为反应偏向CO 的生成减少。碳的形貌也会随着温度和电压的不同而改变。例如，碳纳米管（CNT）有可能在低于 700 °C 的工作温度下形成，而更高的温度则偏向碳纳米球（CNS） 或 CO的生成。

图4. 在Li₂CO₃（主图）或Na₂CO₃及K₂CO₃（插图）中碳捕获和转化的潜能

本文内容来西安大略大学郑莹院士团队发表在Industrial Chemistry & Materials的文章：Overview of CO₂ capture and electrolysis technology in molten salts: Operational parameters and their effects, https://doi.org/10.1039/D3IM00011G

文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/im/d3im00011g

郑莹，西安大略大学化学与生化工程系正教授，加拿大研究主席, 加拿大工程院院士。她的主要研究领域是催化剂在能源创新的应用。她目前的研究方向包括二氧化碳捕获和利用、二氧化碳转化为化学品、废物制氢、固氮、沥青和生物燃料升级以及新型反应器设计。她开发了多项已获得许可或具有许可潜力的专利技术。在Applied Catalysis B: Environmental, Chemical Engineering Journal, Green Chemistry, ChemSusChem等期刊发表研究论文200余篇，总被引进8500次。入选2021年全球前2%顶尖科学家榜单。

通讯作者

曾一民，曾博士是加拿大自然资源部 (NRCan) 的高级研究科学家，也是滑铁卢大学、西安大略大学和阿尔伯特大学的兼职教授。他目前研究重点是新型能源材料， 材料腐蚀科学，二氧化碳捕获、利用和储存技术，生物燃料的制造和和应用，新型核电和火电技术，氢能以及石油/天然气行业脱碳技术等。

第一作者

朱秋吉，加拿大西安大略大学化工系在读博士生，毕业于萨斯喀彻温大学。其主要研究方向是利用熔盐捕获和转化发电厂释放的二氧化碳以达到CO₂零排放的目的。