催化学报

催化学报 ›› 2025, Vol. 69: 52-57.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60202-0

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电化学二氧化碳还原的甲酸与一氧化碳商业化途径对比

陈朝阳, 钟擎天, 乌兰其其格, 计远, 刘春晓, 李旭, 郑婷婷, 江秋, 夏川*()   

  1. 电子科技大学材料与能源学院, 四川成都 611731
  • 收稿日期:2024-10-17 接受日期:2024-11-26 出版日期:2025-02-18 发布日期:2025-02-10
  • 通讯作者: 电子信箱: chuan.xia@uestc.edu.cn (夏川).
  • 作者简介:第一联系人：

    1共同第一作者.

  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2024YFB4105700);国家自然科学基金(22102018);国家自然科学基金(22308050);湖州科技局(2022GZ45);湖州科技局(2023GZ02);中国博士后科学基金(2022M710601);中国博士后科学基金(2023M740503);四川省自然科学基金(24NSFSC5779);四川省自然科学基金(24NSFSC6168);四川省自然科学基金(2025NSFJQ0017)

Commercialization of electrochemical CO2 reduction: HCOOH pathway versus CO pathway

Zhaoyang Chen, Qingtian Zhong, Qiqige Wulan, Yuan Ji, Chunxiao Liu, Xu Li, Tingting Zheng, Qiu Jiang, Chuan Xia*()   

  1. School of Materials and Energy, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, Sichuan, China
  • Received:2024-10-17 Accepted:2024-11-26 Online:2025-02-18 Published:2025-02-10
  • Contact: E-mail: chuan.xia@uestc.edu.cn (C. Xia).
  • About author:Chuan Xia is a Professor of Materials and Energy at the University of Electronic Science and Technology of China (UESTC). His group focuses on developing novel catalysts and device architectures that can be applied in electrocatalysis. He has won the J. Evans Attwell Welch postdoctoral fellowship (2019), Best Applied Paper Award of AIChE (2020), and Falling Walls Science Break throughs of the Year Award (2022), Top 10 News Stories of Scientific and Technological Progress in China (2022), Sichuan Youth May Fourth Medal (2023), and Chinese Chemical Society Young Chemist Award (2023). More information about his research can be found from: https://www.chuan-lab.com.
    First author contact:

    1 These authors contributed equally to this work.

  • Supported by:
    National Key Research and Development Program of China(2024YFB4105700);National Natural Science Foundation of China(22102018);National Natural Science Foundation of China(22308050);Huzhou Science and Technology Bureau(2022GZ45);Huzhou Science and Technology Bureau(2023GZ02);China Postdoctoral Science Foundation-Funded Project(2022M710601);China Postdoctoral Science Foundation-Funded Project(2023M740503);Natural Science Foundation of Sichuan Province(24NSFSC5779);Natural Science Foundation of Sichuan Province(24NSFSC6168);Natural Science Foundation of Sichuan Province(2025NSFJQ0017)

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摘要：

电化学二氧化碳还原技术(ECRs)是一种利用可再生电能驱动CO2转化为多种高值化合物的技术, 具有广阔的应用前景. 该技术有望以比石化产品更具竞争力的成本生产人类所需的燃料和关键化学品, 同时最大程度降低对环境的污染. 然而, 直接利用该技术将CO2直接转化为多碳产物仍然面临着目标产物选择性低和催化剂稳定性差等难题. 为了推动ECRs技术的进一步商业化应用, 本文探讨了ECR技术中两电子(2e-)路径在商业化应用过程中的各自优劣及其商业化前景.

本文首先利用定量的技术经济分析(TEA), 比较了通过ECRs直接生产C1产物相较于直接生产C2+产物的优势. 从能量效率和经济性角度考虑, C2+产物的转化过程中涉及更多的电子转移和质子耦合过程, 通常会有更高的反应动力学过电位, 因此整个过程具有更低的整体能量转换效率和单位摩尔电子经济性. 另一方面, 从生命周期评估(LCA)的角度来看, 直接生产C2+产物会导致在反应界面上每单位产品会产生更高浓度的氢氧根离子, 加速由于碳酸盐形成导致的碳损失. 其次, 本文系统分析了两种主流C1产品的商业化应用前景. 文章从长期市场容量和短期市场盈利两个角度分别分析了两种C1产品在商业化过程中可能存在的问题. 其中, CO的大规模商业化应用要盈利的话, 需要大面积的电解槽. 考虑到目前对氢能的关注日益增加, 且水电解技术比CO电解更为成熟, CO电解槽可能会面临产能不足的问题. 相较于CO, HCOOH的年产量约为1300千吨, 相当于约5460 GWh的能耗 (电池电压为3 V, FE为90%). 因此, 商业化产HCOOH仅需利用相对较小部分的当前市场电解槽产能. 其次, HCOOH下游应用的另一个有前景的领域在于生物升级. 例如, 从电生HCOOH中可进一步生产出与内燃机兼容的燃料3-甲基-1-丁醇. 利用HCOOH作为氢源, 还可以将各种生物质衍生的平台分子, 如戊二酸、糠醛、5-羟甲基糠醛和甘油, 转化为一系列有价值的化学品和燃料. 其次, 还可以深入研究HCOOH独特化学结构所支持的各种反应, 如甲酰化、甲基化、氢化、脱氧和环化等, 将为其电化学转化为多种有价值化合物提供更多可能性.

最后, 展望了两种路径分别在大规模化工合成和去中心化化学品生产两方面各自的独特优势. CO和HCOOH各自开辟了独特的商业化道路, 综合考虑其CO2电催化的优劣势才能引领我们走向一个更可持续、经济效益更佳的未来.

关键词: 二氧化碳转化, 电化学还原, 两电子路径, 商业化前景

Abstract:

The objective of electrochemical CO2 reduction technologies (ECRs) is notably audacious: to revolutionize the market by generating fuel and essential chemicals at a more competitive price than petrochemicals can offer, all while prioritizing environmental sustainability. To expedite the commercialization of ECR technology, we discuss here how ECR can reshape the industry landscape through 2e- pathways.

Key words: Carbon dioxide conversion, Electrochemical reduction, 2e- pathways, Industry landscape