使用铜丝可能有助于碳捕获

S. Rufer, M. P. Nitzsche et al.

数十亿美元正被用于研究捕获大气中二氧化碳（CO₂）的方法，这些二氧化碳是导致气候变化的因素之一。然后，二氧化碳可以被封存，或者被转化为能减少化石燃料使用的工业材料。目前存在将二氧化碳转化为燃料或化工原料的工艺，但就目前而言，它们的效率还不足以在价格上与不可再生能源竞争。一种电化学工艺使用带有催化剂的气体扩散电极（GDEs）将二氧化碳气体转化为乙烯，乙烯可用作燃料或塑料和其他材料的化学前体。

气体扩散电极（GDE）设计中的基本权衡在于，必须在电极材料的导电性和疏水性之间做出选择。导电性更强的材料将更高效地传输电流，从而转化更多的二氧化碳，但如果电极吸收水分，产量将会降低，而且电极腐蚀的风险会进一步降低其性能。例如，碳纸具有导电性，但容易被用于将二氧化碳输送到电极的电解液浸透。聚四氟乙烯（PTFE）的疏水性很强，但导电性很低。（聚四氟乙烯以其品牌名“特氟龙”更为人所知，Teflon。）

麻省理工学院（MIT）的研究人员已经探究了气体扩散电极（GDEs）为何无法有效扩大规模。他们重点研究了一种基于多孔的膨体聚四氟乙烯（ePTFE）的电极结构。然后，这种材料会被涂上一薄层铜，以作为该过程的催化剂。

先前的研究表明，这样一种结构在通常面积为1到5平方厘米的实验性气体扩散电极中是高效的。然而，随着电极尺寸增大，导电性会迅速下降，这反过来由于电阻增加导致能量损失而降低了产出效率。

碳捕获：只需添加铜

为了提高较大气体扩散电极（GDEs）的导电性，研究人员想出了一种让铜丝“穿过”电极的方法。他们将这种新方法命名为分层导电气体扩散电极（简称HCGDE，https://www.nature.com/articles/s41467-024-53523-8）。

在这种设计中，研究人员让直径为75微米的铜丝穿过电极，使铜催化剂层与之匹配，从而消除不同金属之间发生电解的风险。铜丝沿着催化剂层延伸，然后穿透膨体聚四氟乙烯（ePTFE）膜，连接到电极背面的集电器。根据研究人员的论文，这种设计可以批量生产，既可以采用卷对卷制造工艺，也可以使用标准缝纫设备。卷对卷生产能够大幅降低制造成本，因为这是一种常用于多种材料印刷的工艺。

该团队使用一个模拟模型来确定铜丝在催化剂层上的最佳间距。他们确定，当铜丝间距小于10毫米时能达到最佳效果，这样既能保持足够的导电性，又能将电阻损耗降至最低。

然后，研究人员根据他们的分层导电气体扩散电极（HCGDE）设计制作了三个不同尺寸的电极：5平方厘米、14平方厘米和足足50平方厘米（是其他实验电极的10倍大），同时也制作了不含编织铜丝的电极。在采用4毫米的铜丝间距时，导电性提高了，但牺牲的电极材料不到2%。

测试结果表明，最大的电极在利用二氧化碳生产乙烯方面效果显著，达到了约75%的法拉第效率（FE），同时所需电压低于传统的气体扩散电极（GDE）设计。法拉第效率是指在给定能量（电流）的情况下能够生产多少产品的理论极限；该数值越高意味着生产效率越高。此外，这三种尺寸电极的电效率相近。为了测试这项技术的稳定性，研究人员随后让50平方厘米的电极单元运行了75小时。结果显示虽然盐沉淀随着时间推移确实会降低性能，但整体结果较为稳定。

扩大碳捕获工作规模

麻省理工学院（MIT）机械工程教授Kripa Varanasi表示，这些结果表明，即使将电极尺寸扩大到原来的10倍，该技术仍然有效。他们还预计，即使电极尺寸更大，性能也将得以保持。

Varanasi说：“有许多高能耗的工艺在脱碳方面具有挑战性，因此开发有效的二氧化碳捕获和转化方法至关重要。应对二氧化碳挑战是我们这个时代的关键问题之一。为了解决这一问题，我们每年必须处理数十亿吨二氧化碳，这就需要可扩展且具有成本效益的解决方案。通过采用这种思路，我们能够确定关键的瓶颈问题，并设计出能产生有意义成果的创新方法。”

科技分析公司IDTechEx的技术分析师Eve Pope表示：“对许多排放企业来说，捕获和储存二氧化碳的成本仍然高得令人望而却步。能够利用二氧化碳（取代现有的石油基产品）的技术突破，可以开辟额外的收入来源，从经济上激励二氧化碳的捕获。”Pope称，IDTechEx对这类“源自二氧化碳的直接替代化学品”的预测显示，在2040年之前其收入可能超过10亿美元。

如果分层导电气体扩散电极（HCDGE）技术确实能够扩大到工业水平，它可以为化石燃料提供一种具有成本竞争力的替代方案，既可以作为一种燃料来重新利用大气中已有的二氧化碳，也可以作为耐用品中使用的材料的前身，从而长期封存碳。