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焦點專欄

CO2再利用技術之電化學應用趨勢

  • 發佈日期:2022/9/13
  • 資料來源:本站
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摘要

由於CO2化學結構安定,傳統分解製程常需仰賴高溫、高壓環境支持,對於能量耗用、設備安置與製程轉化率的取捨,經常難以兩全。考量處理程序需對環境友善,近年有愈來愈多產學研單位,投入利用電化學法還原CO2之再利用加值產品研發。本文將以CO2再利用之分類為始,簡介電化學技術可投入之應用領域。

前言

CO2為主要溫室氣體,對地球暖化影響達60%,欲降低此效應,減排將是最直接的手段。CO2減排技術具體可分為捕獲、封存與再利用三項(如圖1所示),CO2再利用技術可分為直接利用與轉化利用。直接利用如食品工業、藥品業超臨界萃取、促進微藻生長及枯竭油氣井資源增益回收等;而轉化利用則是將CO2以外加能量方式,搭配其他反應物,轉化分解為其他產物之手段,常見領域可分為燃料、化學品與建材等三項[1]

圖1 CO2再利用技術路徑示意[1]

CO2本為無毒、不可燃且來源不虞匱乏的氣體,但隨環境暖化效應日甚,CO2也逐漸被視為引起環境效應的人類活動產物(或污染物),因而亟待進行減量或以無淨產出形式,封閉於系統中循環使用(稱之為淨零或碳中和)。然而,在減量轉化利用過程中,即涉及能量施加;CO2就化學結構而言,為熱力學穩定物質;代表欲使CO2轉製為再利用產物,即需額外能量(源)參與。

利用電化學法作為還原CO2為可再利用加值產品之手段,可省卻高溫、高壓條件,僅透過還原電位、觸媒材料、反應溫度及電解質種類的選擇,即可使CO2轉化為不同種類之化學產品,除使CO2再利用呈現多樣性,也使電化學法成為極具發展潛力之技術。接續,本文將依CO2再利用技術之電化學應用趨勢進行整理。

轉製化學品

依據電子轉移數目不同,CO2可還原生成多樣化的化學產物,如表1所示,可為2電子轉移產物,如CO及甲酸;或是6電子轉移所生成之甲醇;也可是8電子轉移所生成之甲烷;又或是透過中間體偶合(Coupling)而進一步生成雙碳之乙烯、乙醇等,甚至是更高碳數的產物。

表1 CO2電化學還原反應常見之化學產物及相應之平衡電位[2]

當電子轉移數愈高,意即代表觸發電化學反應所需作動之能量也愈高;然而,觀察表列之平衡電位(熱力學中理論上反應會發生的位置),皆差距甚微,且與產氫反應共伴。代表在追求高反應產量的同時,產物選擇性的區別,也是電化學法再利用CO2領域的一大要點。

其中,觸媒材料即是關鍵課題,以電化學還原產製甲酸為例,錫或銦等金屬對甲酸有接近90%的偏向性;金或銀則對CO有較高選擇性;銅則較為特別,是唯一對碳氫產物,皆有轉化特性的金屬。(如表2所示)

表2 各式CO2電化學還原觸媒與相應之轉製產物[3]
儲能

相較於捕獲、封存技術,CO2的再利用,除了可降低CO2排放量外,亦可發展具經濟效益之產物。轉製化學品在電化學技術中,較似半電池反應,因此若能推廣至全電池反應,或許更可與儲能概念相結合。是以,類似金屬-空氣電池之金屬-CO2電池概念,亦為研究者所重視。

室溫金屬-CO2二次電池,是CO2應用於能源儲存領域之最終目標。該架構可直接利用CO2進行發電,無進一步碳排放;透過觸媒轉化更可將CO2以碳酸鹽、碳氫化學品等形式釋出,達到創能減碳之雙效目的。目前,已有研究針對其充放電反應機制、開發穩定電解液、研發高效陰極催化材料和開發新型電池體系等,進行系統性整理,可有助於推動金屬-CO2電池的全面發展。

圖2 金屬-CO2二次電池應用於民生及工業示意圖[4]
礦化

所謂礦化,主要係將CO2與鹼土金屬氧化物(如氧化鎂 (MgO)或氧化鈣(CaO)等),在特定溫度與壓力之下進行反應,使CO2固定於碳酸鹽中,形式上也是一種封存策略。碳封存技術可分為地質封存、海洋封存、礦化封存三種方式。其中,濕式礦化封存技術,主要係將原料及CO2溶解於溶液中,由鹼土金屬離子與碳酸根離子(CO32-)進行反應,形成碳酸鹽而沉澱,再透過分離程序,提取固態碳酸鹽。

目前技術上已有電化學法沉積CaCO3的案例,反應前驅物可為Ca(HCO3)2、CaCl2,惟CaCl2之Cl-於溶液中與H+作用將生成HCl,有可能進一步攻擊已生成之CaCO3,造成逆反應。相應搭配的還原劑則為NaHCO3及NaNO3,主要於電化學系統中扮演OH-提供者的角色。

圖3 電化學溼式礦化研究[5]
後記

電化學還原法雖具節能、環境友善、易於量化等優勢且應用面向廣泛(如礦化概念亦可延伸至鹵水處理),但如何選擇系統,搭配適切的觸媒/催化機理相結合,將是相關技術走向工業應用的研究重點。

其次,觸媒材料亦是課題之一,以電化學還原產製甲酸為例,錫或銦等金屬對甲酸有接近90%的偏向性;金或銀則對CO有較高選擇性;銅則較為特別,是唯一對碳氫產物,皆有轉化特性的金屬。加上反應環境多為溼式條件,如若產物為液相,後續產物分離亦是電化學技術效益的考量重點之一。

整體來說,電化學技術是否具有效益,歸納重點有二:其一,觸媒必須具有好的選擇性、低的過電位和大的電流密度,從而能夠產生有價值的碳基產品。其二,電力來源若能由再生能源提供,則後續無論是CO2的還原、H2產生均可符合低碳與永續發展之目標。

參考文獻


  • EA, “Reuse: Carbon Reuse”, G20 Circular Carbon Economy Guide Report, August 2020.
  • S. Nitopi, E. Bertheussen, S. B. Scott, X. Y. Liu, A. K. Engstfeld, S. Horch, B. Seger, I. E. L. Stephens, K. Chan, C. Hahn, J. K. Nørskov, T. F. Jaramillo and I. Chorkendorff, “Progress and Perspectives of Electrochemical CO2 Reduction on Copper in Aqueous Electrolyte”, Chem. Rev., 2019, 119, 12, 7610.
  • 陳浩銘/台灣大學化學系, “電化學催化二氧化碳還原生成化學燃料之發展與趨勢”, 材料世界網, September 2020。
  • J. F. Xie, Z. Zhou and Y. B. Wang, “Metal-CO2 Batteries at the Crossroad to Practical Energy Storage and CO2 Recycle”, Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908285.
  • M. Dinamani, P. Vishnu Kamath and R. Seshadri, “Electrochemical synthesis of calcium carbonate coatings on stainless steel substrates ”, Mater. Res. Bull, 37 (2002) 661.


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