近日，中国科学技术大学熊宇杰教授和团队开发了一种激光照射方法，借此造出一种晶格畸变铋催化剂。

与此同时，他们还开发出一套新型电解装置，在配备湿热通风收集系统的膜电极组件上，成功实现了高浓度纯甲酸溶液的生产，并且可以连续稳定运行超过 300 小时。

即在 200mAcm-2 的工业级电流密度之下，通过 300 小时的连续电化学二氧化碳还原反应，就能生产高浓度的甲酸。

（来源：Angewandte Chemie International Edition）

为了评估这一系统的实用性，课题组进行了全面的技术经济分析和生命周期评估，结果显示本次方法有潜力替代目前主流的甲酸生产方法。

为了进一步证明本次系统的实用性，他们直接利用所生产的甲酸溶液，为空气呼吸式甲酸燃料电池提供动力。

结果发现在无需进行纯化处理的前提之下，就能获得 55mWcm-2 的功率密度，实现高达 20.1％ 的总体能量效率。

通过此，课题组描述了一种通过电化学还原二氧化碳反应直接生产甲酸、并驱动燃料电池的方法，在发展电催化二氧化碳转化驱动甲酸能源经济上具有一定的可行性。

这种利用电催化二氧化碳还原来生产纯甲酸溶液的方法，不仅有助于降低碳排放、实现碳固定的目标，而且符合国家的双碳战略。

此外，甲酸也可作为一种燃料，用于驱动甲酸燃料电池，因此有望应用于新能源汽车等领域。

由此可见，本次所生产的甲酸不仅可以作为基础化学品用于工业生产，还可以直接用作燃料，具有广阔的应用前景。

图 | 熊宇杰（来源：熊宇杰）

据了解，低碳电力的储存和利用、以及交通运输的脱碳，是未来能源转型进入低碳经济的关键组成部分。在这个背景之下，作为一种潜在的可再生能源储存和转换解决方案，甲酸能源引起了人们的广泛关注。

作为一种基本型有机化工原料，甲酸在农药、皮革、染料、医药和橡胶等工业中具有广泛的应用。甲酸不仅具有高能量密度和良好的化学稳定性，而且其生产过程可以通过利用二氧化碳等温室气体实现碳循环。

因此，甲酸能源被视为可实现碳中和的关键技术之一，有望为低碳经济的发展提供重要支持。

通过电化学二氧化碳还原生产甲酸，有望成为甲酸经济中碳循环的关键环节。

但是，在很大程度上，其实际可行性受到电催化合成甲酸的浓度以及产量所限制。

同时，目前甲酸的市场价位较高，因此利用电化学的方式来生产绿色甲酸具有相当大的前景。

多年来，熊宇杰课题组一直致力于二氧化碳的可再生能源催化转化。在这项工作中，他们选择采用电催化的方式，主要是因为电力的来源广泛，可以利用间歇性能源比如风能、太阳能以及潮汐能等来进行发电，从而实现将电催化二氧化碳转化为化学品、或转化为燃料的目标。

基于此，他们首先确定利用电催化的方式来进行二氧化碳转化，以实现电催化二氧化碳还原生产特定化学品的工业应用。

然而，电催化二氧化碳还原所产生的产物较为复杂，往往包含一氧化碳、甲酸、甲烷、乙烯以及乙醇等。

经过一系列调研之后，他们发现尽管利用电催化二氧化碳还原制备的 C2+ 产物市场价值更高，但是产生 C2+ 产物需要更多的电子，导致最终需要输入的电能更多，在制备成本上的性价比并不高。

与之相比，两电子过程产生的一氧化碳和甲酸在经济性上更为优越。特别是相比一氧化碳，甲酸更容易被分离，因此后者具有较低的运输成本和存储成本。

于是，该团队决定沿着“电催化二氧化碳还原产生甲酸”这一方向前进。确定大方向之后，则需要选择合适的电催化剂。

经过调研之后，他们发现目前可以用于电催化二氧化碳还原产甲酸的催化剂，主要是锡、铋、铟、铅等基催化剂。

鉴于铋的市场价格更低、无毒且具有良好的催化性能，于是课题组选择铋作为目标催化剂。

然而，在目前文献报道之中，将铋基催化剂用于电催化二氧化碳还原生产甲酸时，电流密度的较小。

即便在大电流之下，甲酸的选择性也比较低，难以满足工业应用的需求。因此，开发高效的铋基催化剂，成为他们的下一个任务。

为了增强铋基催化剂的性能，他们决定向铋中引入缺陷。这是因为催化剂中的缺陷可以有效调控其电子结构，改善对于中间体的吸附，从而增强选择性。

同时，缺陷的引入还能产生更多的催化剂中不饱和位点，进一步增强性能。通过多次实验，他们发现可以利用激光辐照方法，合成一种非晶态的氧化铋前驱体，这种前驱体经过电化学重构之后，可以生成富含缺陷结构的金属铋催化剂。

这种催化剂不仅具有高活性，而且具有高甲酸选择性，非常容易进行批量化生产。

后来，他们发现由于电解质的缘故，导致所生成的甲酸多以甲酸盐的形式存在，同时浓度也比较低，而这将大幅增加后续的分离成本。因此，他们希望能直接实现高浓度纯甲酸溶液的大批量合成。

为此，他们耗费将近一年的时间来做实验。起初，实验结果显示尽管可以获得纯甲酸溶液，但是甲酸的法拉第效率一直很低。

经过大量实验之后，课题组终于提高了甲酸的法拉第效率。不过，他们又遇到了新的问题：所设计的反应器稳定性较差。

于是，他们耗费半年多时间进行改进，最终获得了较为稳定的电解池性能，并成功获得了高浓度的纯甲酸溶液。

（来源：Angewandte Chemie International Edition）

最终，相关论文以《二氧化碳电解浓甲酸直接驱动燃料电池》（Concentrated Formic Acid from CO2 Electrolysis for Directly Driving Fuel Cell）为题发在 Angewandte Chemie International Edition（IF 16.6）。

Zhang Chao 是第一，中国科学技术大学熊宇杰教授和刘敬祥教授、以及中国地质大学（武汉）蔡卫卫教授担任共同通讯。

图 | 相关论文（来源：Angewandte Chemie International Edition）

目前，他们仅在实验室验证了上述结果。接下来，课题组会将整体系统进行进一步的放大，继续发展基于这一系统的实际应用。

同时，他们将开发面积在 100cm2 以上的电化学反应器，并将其组装成电堆，真正实现纯甲酸溶液的大规模生产，推进电催化二氧化碳还原产甲酸的工业化应用。

另据悉，目前熊宇杰的论文总引用次数为 40000 余次，H 指数 100，曾入选科睿唯安全球高被引科学家榜单、全球前 2% 顶尖科学家榜单、以及爱思唯尔中国高被引学者榜单。

这主要基于他在“多场多相催化化学”方面的成果，尤其是基于多场耦合和多相流动条件下的催化机制及其应用的成果。

具体来说，他和团队曾创制了表界面结构可控的复合催化材料和杂化催化材料，实现了催化反应的光、电、磁、热等多物理场调控，发展了分子转化过程的能量耦合机制。

同时，还曾设计可被模块化定制的仿生催化器件，实现了催化体系的传质和传能过程强化，发展了基于多相流动控制的应用系统。

与此同时，熊宇杰还是东盟工程与技术科学院外籍院士，并担任安徽师范大学党委常委、副校长等职务。

参考资料：

1.Zhang, C., Hao, X., Wang, J., Ding, X., Zhong, Y., Jiang, Y., ... & Xiong, Y. (2024). Concentrated Formic Acid from CO2 Electrolysis for Directly Driving Fuel Cell.Angewandte Chemie International Edition, e202317628.

运营/排版：何晨龙

本文是一篇关于中国科学技术大学熊宇杰教授和他的研究团队开发了一种新型电解装置，成功制造出高浓度纯甲酸溶液，并在此基础上研究并成功开发了一种电化学二氧化碳还原生产甲酸的新方法。这种方法将二氧化碳的分解转化为甲酸，然后通过电解得到甲酸，并能够直接驱动燃料电池。研究表明，这种新方法在电催化二氧化碳还原过程中有着较高的经济效益和应用前景。此外，熊宇杰教授的研究工作还涵盖了多项领域，包括表界面结构可控的复合催化材料和杂化催化材料的开发、分子转化过程的能量耦合机制的设计、以及基于多相流动控制的应用系统的研究。这些研究工作的成功也为未来的能源技术和环保技术的研发提供了重要的理论和技术支持。