研 究 背 景

立足“双碳”战略与可再生能源规模化发展背景，将波动间歇可再生能源转化为高能量密度、可长时储能且便于输运的化学品，能够有效提升风光新能源消纳水平，实现弃光弃电资源的高值化利用。其中，利用CO₂制备化学品可同时实现碳资源循环利用和低碳化学品生产。乙酸作为市场价值接近100亿美元的大宗化学品，广泛用于涂料、胶黏剂和食品添加剂等领域；但当前工业乙酸生产主要依赖化石资源路线，每生产1吨乙酸排放1.39-1.87吨CO₂。同时，传统光伏直接驱动CO₂电还原技术存在光谱利用率低、反应路径复杂、能效与产物选择性偏低等固有缺陷。为此，本文将CO₂制乙酸过程解耦为CO₂还原制CO、CO进一步合成乙酸两步反应，耦合可电热协同利用的高温固体氧化物电解池(SOEC)，实现太阳能短波光电、长波光热的梯级利用，有效突破传统太阳能CO₂转化体系的能效瓶颈。

成 果 介 绍

华中科技大学金健教授团队在Carbon Energy发表题为“Tandem Electrolysers for High-Efficiency CO₂-to-Acetate Conversion Driven by Full-Spectrum Solar Energy”的研究论文。该工作提出了一种全光谱太阳能驱动的光伏-光热串联电解CO₂制乙酸系统：短波太阳能经GaAs光伏电池转化为电能，用于驱动高温SOEC和下游膜电极(MEA)反应器；长波太阳能则用于光热集热，为CO₂预热、SOEC堆温维持和吸热电解过程提供热能。体系首先通过SOEC将CO₂转化为CO，再经MEA反应器将CO进一步电还原为乙酸。在900 nm截止波长和5000倍聚光比条件下，该系统实现15.8%的太阳能到乙酸的能量转化效率，较光伏直接CO₂电解和光伏制氢耦合CO₂加氢路线分别提升11.2%和8.3%。

研 究 亮 点

1.全谱太阳能分级利用

本文通过光谱分频将太阳能分为短波和长波两部分：短波进入GaAs光伏电池产生电能，长波进入集热器产生热能，实现从“单一光伏供电”向“光伏-光热协同供能”转变，减少长波太阳能作为废热的损失，从而实现太阳能全光谱利用。

2. SOEC-MEA串联转化路径

体系首先利用800°C高温SOEC将CO₂转化为CO，再通过MEA反应器将CO进一步电还原为乙酸。该两步路径将复杂的CO₂直接多碳产物生成过程解耦为更易调控的分步反应，有助于提高系统效率和目标产物选择性。

3. 电能-热能精准匹配

SOEC中CO₂电解为CO同时需要电能和热能。本文将长波太阳能直接用于CO₂预热、SOEC温度维持和吸热电解反应，使太阳热能替代部分高品位电能输入，减少能量品位不匹配造成的损失。

4. 高效太阳能到乙酸转化

在900 nm截止波长和5000倍聚光比条件下，体系实现15.8%的太阳能到乙酸转化效率，较光伏直接CO₂电解体系和光伏制氢耦合CO₂加氢体系分别提升11.2%和8.3%。

5. 关键光学参数优化

截止波长决定太阳能在光伏发电和光热供能之间的分配。900 nm附近能够较好平衡电能输出与热能供应，继续增加截止波长难以进一步提升太阳能到乙酸转化效率。

6. 太阳辐照波动适应性

以北京地区四个典型季节日的太阳辐照变化为例，体系在正午高辐照时段太阳能到乙酸转化效率均超过15.5%；若以15%为稳定运行阈值，夏季可运行超过12小时，春季约11小时，秋季约9小时，冬季少于8小时，表明该系统在季节性辐照波动下仍具有较好的效率稳定性。

图 文 解 析

图1展示了全光谱太阳能驱动串联电解CO₂制乙酸的基本概念和系统构型。太阳光经聚光器和光谱分频器后，短波部分进入光伏电池产生电能，长波部分进入集热器产生热能；电能用于驱动SOEC和MEA，热能用于CO₂预热、SOEC堆温维持和吸热反应，最终形成“太阳能-电能/热能-CO-乙酸”的串联转化路径。

图2进一步说明了体系的能量转换逻辑。系统被划分为能量供给侧和能量需求侧：供给侧包括聚光器、光谱分频器、集热器和光伏电池，需求侧包括SOEC和MEA。图中标出了光学损失、光伏废热、集热器热损失、SOEC和MEA废热等主要损失路径，突出本文工作的核心在于优化太阳能在电化学和热过程中的分配。

图3给出了两种参比体系：图3A为光伏驱动直接CO₂电解制乙酸，流程简单但选择性和能效受限；图3B为光伏水电解制氢耦合CO₂热催化加氢制乙酸，虽利用了光伏和光热，但乙酸选择性受热催化过程限制，副产物较多。

图4验证了模型可靠性。SOEC模拟极化曲线与实验数据吻合良好，相对误差小于5%；光伏模型在聚光比为1和258时的模拟效率分别为24.5%和29.6%，与文献实验值基本一致，为后续系统能效分析提供了基础。

图5通过桑基图对比了三种路线的能量流。光伏直接CO₂电解体系太阳能到乙酸转化效率仅为4.6%；光伏制氢耦合CO₂加氢体系为7.5%；而本文体系中56.7%的太阳能进入光伏侧、28.8%进入光热侧，最终太阳能到乙酸转化效率达到15.8%，直观体现了全谱利用和串联电解的优势。

图6展示了截止波长对太阳能分配的影响。约14.5%的太阳能因光学过程损失，其余85.5%在光伏和光热之间分配。随着截止波长增加，更多太阳能进入光伏侧，而光热侧比例降低；约740 nm时二者分配相等，但系统效率最优还需综合考虑光伏响应范围和反应器能量需求。

图7分析了聚光比和截止波长对效率及损失的影响。聚光比从500升至5000时，集热器辐射损失显著降低，太阳能到乙酸转化效率由14.7%升至15.8%；截止波长增加可提高光伏发电输出，但超过900 nm后，长波光难以被光伏电池有效转化，更多能量变为光伏废热，因此900 nm附近为较优条件。

图8评估了太阳辐照波动下的运行表现。以北京四季典型日为例，体系在正午高辐照时段太阳能到乙酸转化效率均超过15.5%，说明其峰值效率较稳定；但稳定运行时长随季节变化，夏季最长、冬季最短，表明实际应用仍需结合储能或热管理策略进一步优化。

研 究 小 结

本研究从太阳能全谱利用和CO₂串联转化的系统设计出发，提出了一种全谱太阳能驱动光伏-光热串联电解制乙酸的新路线。该体系通过光谱分频将短波太阳能用于光伏发电，将长波太阳能用于高温供热，并分别匹配SOEC高温CO₂电解和MEA低温CO电解过程，实现电能与热能的协同利用。

研究表明，将CO₂制乙酸解耦为“CO₂到CO”和“CO到乙酸”两个步骤，可降低直接CO₂电还原中多产物竞争、碳酸盐形成和能量损失等限制。高温SOEC利用太阳热能完成CO₂活化和CO生成，MEA反应器进一步将CO转化为乙酸。在900 nm截止波长和5000倍聚光比条件下，体系实现15.8%的太阳能到乙酸转化效率，显著优于两类参比路线。

总体而言，该工作表明，高效太阳能驱动CO₂转化不仅依赖单一催化剂或反应器性能，更需要太阳光谱、能量品位、反应路径和系统损失之间的协同优化。该研究为太阳能驱动CO₂资源化制备高附加值液体化学品提供了新的系统设计思路。

作者简介

【通讯作者】金健：华中科技大学环境科学与工程学院副教授。长期围绕电催化CO/CO₂转化、碳资源高值化利用、多碳产物选择性调控及电化学反应器设计等方向开展研究。面向低碳化学品合成和可再生电力储能需求，重点研究CO/CO₂电还原过程中的C-C偶联机制、关键中间体调控、催化剂结构设计及高效膜电极反应器构建，致力于发展高选择性、高效率和长寿命的电化学碳转化体系。相关研究在CO电还原制乙酸方向取得重要进展，通过催化剂结构调控与高压流动电解反应器耦合，实现了高选择性乙酸生成和长时间稳定运行，为电化学路径制备低碳乙酸提供了重要基础。相关研究成果发表于Nature、Advanced Materials、ACS Catalysis、Applied Energy等国际期刊。

【第一作者】苏上淳：2022年本科毕业于天津大学机械工程学院。目前为天津大学2022级工程热物理专业在读博士生。主要研究方向为太阳能耦合CO/CO₂电催化还原制多碳产物研究。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Tandem Electrolysers for High-Efficiency CO₂-to-Acetate Conversion Driven by Full-Spectrum Solar Energy

文章研究方向：

电催化、CO₂还原

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70286

DOI: 10.1002/cey2.70286

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy

2-年影响因子 21.4

5-年影响因子 21.3

JCR分区 Q1

CiteScore 32.7

官网 www.carbonenergy.org

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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