高碱性阴极催化剂层
高碱性阴极催化剂层 – 电化学方法捕获二氧化碳的技术 – 驰飞超声波
在当前全球积极推进碳中和战略的背景下，以可再生电力驱动的电化学碳捕获技术因其环境友好、能耗可控等优势，逐渐成为碳管理领域的研究热点之一。该技术以清洁电能作为主要能量输入，通过一系列电化学反应实现二氧化碳的高效捕集与转化，被认为在未来碳减排路径中具备广泛的应用前景。然而，尽管潜力巨大，现有电化学碳捕集系统仍普遍面临若干技术瓶颈，包括捕获效率偏低、对运行环境中氧气的敏感性较高，以及系统结构复杂、难以规模化部署等问题。
针对上述挑战，近年来研究人员提出了一种基于氧/水（O2/H2O）氧化还原电对耦合的新型电化学碳捕集架构，该设计采用模块化固体电解质反应器，构建了一个连续运行的电化学碳捕获流程。其核心机制在于利用氧还原反应（ORR）与析氧反应（OER）构建一个闭合的氧化还原循环。在该系统中，稀薄二氧化碳分子在高碱性阴极催化剂界面被高效吸附，并进一步转化为碳酸根离子；随后在阳极侧通过调控质子通量对碳酸根进行中和，最终在固体电解质中间层输出高纯度二氧化碳气流（纯度可超过99%）。该过程实现了从捕集到释放的连续运行，且在整个反应路径中无需额外投加化学试剂，也不产生副产物，具有良好的闭环运行特性。
实验结果表明，此类基于固体电解质的电化学碳捕集反应器在多个关键性能指标上表现突出：其碳捕集速率可达440 mA cm⁻²，相当于0.137 mmolCO₂ min⁻¹ cm⁻²，或折算为每日每平方米86.7 公斤的二氧化碳处理能力；同时，系统展现出较高的法拉第效率，基于碳酸根路径的法拉第效率超过90%；在模拟烟道气环境中，其对二氧化碳的去除效率也达到98%以上。此外，该技术单位捕集能耗较低，起始能耗约为150 kJ/molCO₂，显示出良好的实际应用前景与产业化潜力。
在反应器关键部件制备方面，高碱性阴极催化剂层的构建对提升CO₂界面吸附能力至关重要。为此，可采用超声波喷涂技术在该阴极膜表面均匀负载高活性催化剂。该方法借助高频超声波振动将催化剂浆料雾化为微米级液滴，并在气流引导下将其均匀沉积于电极表面，形成具有高比表面积和良好孔隙结构的催化层。这种高度均匀的催化剂涂层有助于强化气—固界面接触效率，促进CO₂分子在电极/电解质界面的传质与反应动力学，从而显著提高整个电化学系统的碳捕集性能。
综上所述，融合氧/水氧化还原电对的模块化固体电解质反应器为电化学碳捕获提供了一条高效、洁净且可连续运行的技术路径。结合先进的材料制备工艺如超声波喷涂技术，进一步优化了电极结构并提升了反应效率。随着相关材料科学与电化学工程的持续发展，此类系统有望在火电、钢铁、水泥等高排放行业的碳捕集场景中发挥重要作用，为构建低碳能源体系提供关键技术支撑。
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