2022年11月23-25日，由江苏省硅酸盐学会、南京工业大学、材料助研科技发展（无锡）有限公司、江苏新能源电池材料与装备产业院士协同创新中心联合主办的“首届新能源陶瓷与器件技术高峰论坛暨长三角（江苏）第32届特种陶瓷学术年会”在宜兴陶都半岛酒店成功召开。本次大会以“共创新时代，探陶新未来”为主题，旨在共同探讨陶瓷和新能源产业发展的新思路、新工艺、新途径和新产品。200余位专家、学者及企业界朋友齐聚陶都，共同探讨新能源陶瓷材料与器件技术，助力新能源产业发展。来自苏州大学的彭扬教授做了题为《铜基材料二氧化碳催化转化研究》的主题报告。本文根据专家报告内容整理，并已经专家本人审核确认。
彭扬，苏州大学能源学院教授，博士生导师，副院长，入选海外高层次人才（青年项目）。本科、硕士毕业于南京大学化学系、博士毕业于美国加州大学戴维斯分校。2010年至2013年分别在美国马里兰大学、美国国家标准技术局（NIST）中子研究中心从事博士后研究。2013年至2016年在美国哈利伯顿能源公司（Halliburton）担任高级研发员。荣获江苏省“双创团队”领军人才、江苏省“双创计划”高层次人才等资助。担任高等学校化学学报、物理化学学报、eScience青年编委以及苏州市低碳技术与产业化重点实验室主任。研究领域关注CO2活化与催化转化的基础与应用研究，探究金属有机催化剂结构组装与微观调控对CO2分子活化与催化转化的影响。以第一/通讯作者在Science, J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等高质量期刊上发表学术论文。非常感谢组委会的精心安排和硅酸盐研究学会的邀请！今天借用线上的短暂时间，向各位专家和老师汇报一下我们在铜基金属有机化合物二氧化碳催化转化方面的工作。可能跟陶瓷没有那么大的关联，但是我也希望借这个机会与陶瓷领域公司或者团队交流，希望能擦出一些新的火花。首先，向大家介绍一下我们苏州大学能源学院。我们学院是座落在苏州大学天赐庄校区。我们小院具有苏州园林的风格，非常欢迎大家有机会前来交流。我们学院配备了与材料表征相关的大型设备，对校内校外都是开放的。今天我的汇报提纲主要分成四个方面。首先简单介绍一下我们关注的领域，尤其是对于碳排放我们提出的双碳目标，如何将新能源技术耦合二氧化碳催化转化来促进双碳目前的实现。今年的Nature杂志上刊登了一篇文章，提到了河南省的铜冶镇的化工厂和Carbon recycle international公司联合，每年可以回收16万吨的二氧化碳，相当于数万辆汽车的排放量。全球的科技企业也都在抢摊碳排放的新赛道，因为碳税收的征收跟整个经济的发展是非常相关的。资讯公司的报告显示，到2030年的时候，二氧化碳的回收市场可以达到700亿美元，2040年的时候呈现指数的上升可以达到5500亿美元的市场。已经有80多家科技公司关注研究二氧化碳催化转化的工业利用，最早的时候是CRI公司在冰岛利用地热的优势，他们开设第一家二氧化碳制甲醇的工厂，以及陆陆续续的出现一些初创公司把二氧化碳转化成各类化学品，例如合成气、苯甲酸、乙醇等，也可以把它用在混凝土当中来固化混凝土，既固碳又减少了水泥的用量；以及把它转化成为附加值更高的航空燃料。纵观整个规划，利用可再生能源将二氧化碳和水转化成为绿色的燃料。纵观整个规划，利用可再生能源将二氧化碳和水转化成为绿色的燃料，也是目前研究领域的焦点。其中一个比较热门的领域，利用可再生能源的电驱动二氧化碳的催化转化，有望助力实现2060年我们提出的碳达峰和中和的目标。随着太阳能领域快速发展，尤其是很多弃风弃电问题的存在，所发的电并不到国家电网，如果能够把这些弃风弃电的可再生能源利用起来，可以消纳一些可再生的电力，同时可以利用将电能转化为附加值较高的化学品。跟燃料电池相比，二氧化碳的催化转化电解池的装置也在逐步更新，从最早期的在实验室探究的H池的三电极体系的池子，到现在电流可以做得比较大的Flow池，以及未来如果真正应用到产业化，开发如燃料电池电堆的话，膜电极的开发也是CO2催化转化研究领域（包括工业界或者学术界）都在关注的焦点。每一届产品的迭代都会有一些改进，当然也会存在自身的一些问题。例如，我们以膜电极为例，可以实现欧姆电阻很小，电流密度可以做得很高，我们可以达到工业界甚至可以做到安培级的电流密度。但是也存在它的问题，比如它通常用的是碱液，对于疏水层的破坏是非常显著的，而且对于碳的回收并不有利，是我们目前面临的挑战。从整个的评价指标上来看，低能耗、高的转化效率包括高的能量转化效率，以及在催化领域当中，非常关键的一个单层转化率以及稳定性，都是催化性能的重要评价标准。二氧化碳的电解池当中，器件设计有在酸性电解质当中运行的，有在碱性当中运行的，包括阴离子交换膜、阳离子交换膜以及将阴阳离子叠在一起制成的双极膜等等。我想这个领域跟陶瓷有一些关系的，因为陶瓷作高温燃料电池里面就是用的陶瓷高导电的质子电解质，如果要实现高稳定性的话，是不是在膜上面跟陶瓷领域相结合，这个是我们一直在思考的，当然，现在市面上用到的阴离子交换膜都是可以买到的商业化的阴离子交换膜，有国产的，有进口的。对于阴离子交换膜的要求，我们希望它能够有很高的电子、离子导电率，同时有一个比较好的疏水性，能够抗溶胀，可以协同二氧化碳完成催化转化。现在为止燃料电池也好，包括二氧化碳的电池也好，其实在膜电极上面都是一个巨大的挑战，稳定性还做不到像储能电池那么长的寿命。因此膜的设计改进也会是未来的发展方向。这是另外一种阳离子交换膜，阳离子交换膜可以提高碳单程的转化率、减少碳的损失。阳离子交换膜也是目前现在市面上可以购置到的。接下来介绍一下我们团队关注的研究方向。一：我们比较关注催化剂的构建，如何定向设计构建与合成催化剂；二：基于催化剂的转化的性能，探究它的作用机理；三：最后是不是能够把催化剂和基于机理的理解反馈应用于在器件工艺上面，并进行优化和工程化。这是我们将气体扩散层和催化剂构建成一体化的膜电极，把催化剂和扩散层以纺丝的形式构建成膜电极的形式。我们可以把它组装在膜电极的器件当中，可以实现二氧化碳转化到一氧化碳，达到将近100%的选择性，在实验室可以达到已经超过了200个小时的稳定性，电流密度可以做到225mA/cm2。我们在催化剂上面也做了一些研究，就不介绍细节了，紧紧把我们团队做的相应材料设计上的工作向各位汇报一下。一个是我们在催化剂构建上面，我们构建金银纳米催化剂，在构建金银-铜基催化剂时，我们设计不同的形貌、不同功能的纳米反应器催化剂体系，可以实现二氧化碳到单碳产物或二碳产物高选择性的转化。另外一方面我们也是合金催化剂上面也有一些思考，我们构建钴铜合金催化剂体系，利用金属有机框架类的材料作为金属位点的分散，利用它的结构优势把金属位点进行分散，通过电化学重构的方式，能够实现不同的两种金属的合金催化剂的构建。这样的优势能够实现利用不同的铜和钴两种金属对于二氧化碳的吸附和水的裂解的不同功能，我们可以做到在非常大的电流密度（如500mA/cm2）下，二氧化碳转化到甲烷可以实现大于60%以上的选择性。最后，分子类催化剂也是我们团队关注的方向，通过设计不同结构、配位构型的铜基卟啉类催化剂，研究它的结构和性能之间的构效关系，可以实现乙醇和丙醇选择性达到50%，我们能够构建低配位的铜簇，通过对一氧化碳的吸附能够实现碳碳的偶联，另外一个铜的铜簇和旁边的铜氧之间的协同作用，能够稳定它向含氧中间体的转化，含氧中间体时最终生成乙醇或者丙醇的中间体步骤。最后简单总结。我们首先是希望能够对于催化剂材料合理的设计，对于其催化行为的研究反馈给我们进一步对催化材料进行设计改进与优化。从基础研究再往应用前端走一步，电化学环境下面催化剂可以稳定工作多长时间，以及电解质的优化，以及在不同电解质条件下膜的使用也非常关键。同时二氧化碳单程的转化效率高低也是工业应用评价的重要指标。我们将继续为这一领域的发展贡献自己的一份力量。最后，这是我们另外一个老师关注的方向：储能领域的利用差分电化学质谱，因为我看这次会议与储能密切相关，应该有很多来自高校、企业与储能相关的听众。大家如果感兴趣，可以通过上面的二维码联系交流。现在我们团队的原位的差分电化学质谱，已经基本搭建完成。我们可以实现原位的分析，例如金属空气电池、钠离子电池、锂离子电池、锂金属电池，在充放电过程当中可以实时分析微量气体的产生，以及它在电池运行当中气体的消耗或者产生的一个情况。因为电池一旦充放电久了之后，电池包应会有膨胀，所以，对于安全性能的分析我认为应该是一个非常好的手段。我们团队搭建的是类似于钮扣电池、软包电池可以实现跟质谱相连，能够实时地监测电池在充放电当中气体的变化。我们已经与企业开展了一些应用案例。一个是金属气体电池（像Li-氧气电池）充放电当中的氧气的一个充放电的检测。第二个是锂离子电池电解质的分析。我们可以实时监测，如产气点，最高点什么时候，主要产生什么气等。第三个是实时监测电池在充放电过程中产生气体的成份。例如锂金属电池，在电池的首圈充放电过程中主要的产物是什么，以及钠离子电池、软包电池，首圈的充放电主要产气，例如二氧化碳、甲烷、氢气都有，还有微量的乙烯，能够实时地监测在充放电过程当中气体的成分。如果能有这样一个标准，有利于对于电池的安全性能进行评估。最后，感谢我们团队的一直辛勤的工作，感谢我们苏州本校的合作者，以及国外在理论计算方面的专家，感谢他们的帮助支持，包括澳大利亚的乔世璋老师、焦研老师、美国的William院士、新加坡国立陈伟教授等。最后感谢光源和基金的支持，非常感谢组委会给我们这样一个报告的机会，非常抱歉没能到现场，也欢迎大家有机会到苏州来指导，谢谢！
