利用清洁电能将二氧化碳转化为高附加值化学品，是人类应对全球变暖危机的重要途径。通过耦合阴极二氧化碳还原反应与阳极氯气析出反应，该过程不仅能生产大宗化学品氯气，还可直接利用氯碱工业的配套设施，展现出显著的应用价值。 为实现上述电解过程的高效稳定运行，清华大学陆奇教授团队与北京大学徐冰君教授团队合作，设计并开发了两套自动化阴极pH稳定系统，在使用阳离子交换膜的可放大电解器中实现了甲酸钾与氯气的高选择性联产，其中甲酸钾浓度达到5.3 mol/L（相当于40 wt.%）。技术经济分析与碳足迹核算表明，该系统在不依赖补贴的情况下具备较高的经济可行性，若采用绿色风电供能，可实现近零碳排放。
考虑到目前氯碱工业主要使用阳离子交换膜，研究团队也在基于阳离子交换膜的电解器中开展研究。研究团队发现，在长时间的电解过程使用单一的阳极电解液会导致阴极电解液pH波动，进而影响电解稳定性。为此，团队提出“阴极补碱”与“阳极电解液切换”两种自动化控制策略。第一种策略为阴极补碱策略：如下图（a）所示，当电解体系使用盐酸阳极电解液时，阴极中不断积累的HCOOH产物会降低阴极电解液pH。当阴极电解液pH下降到预设值时（如6.5），PID自动控制器会向阴极电解液中引入高浓的KOH溶液，从而中和阴极电解液中积累的HCOOH，防止阴极电解液pH进一步下降。第二种策略为阳极电解液切换策略，如下图（b）所示。该电解策略使用KCl而不是KOH为电解系统的钾源，在阳极使用盐酸溶液与氯化钾-盐酸混合溶液两套阳极电解液；从而维持阴极电解液的pH在6与7之间。 在使用两套自动化系统后，研究团队成功在最大100 cm2的电解器中实现大于75%甲酸（盐）与大于95%氯气产物选择性。长时间电解结果表明，电解系统可以实现100小时以上的高选择性电解，甲酸（盐）产物的浓度最高达到了5.3 mol/L，处于目前所有报导中最高水平。 综上所述，研究团队开发了两套自动化阴极电解液pH稳定系统，成功在基于阳离子交换膜的电解器中耦合了阴极二氧化碳还原反应与阳极氯气析出反应，实现了大于100小时的稳定运行，为未来二氧化碳电解的工业化应用提供了重要参考。 论文信息 Sustainable Synthesis of Concentrated Formate via CO2 Electrolysis Integrated with Cl2 Formation Haocheng Xiong, Donghuan Wu, Runyu Jiang, Haonan Li, Qikun Hu, Xi Lu, Bingjun Xu, Qi Lu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202504782
