洁净煤技术

作者：聂全灏, 宋雪旦, 刘朔, 于畅, 邱介山

关键词：电催化,数值模拟,二氧化碳还原,催化剂,传质

电催化二氧化碳还原反应（CO2RR）是应对全球气候变化和实现能源转型的关键技术之一。通过将CO2转化为有价值的化学品，可以有效地减少温室气体排放并为可持续能源的开发提供动力。CO2RR过程中常常伴随析氢反应（HER）发生，生成H2与CO行成合成气。合成气的H2与CO比例对下游化学品的合成具有重要影响。因此，调控催化剂的厚度和孔隙率等结构，是实现目标产物精确控制的有效途径之一。Ni−N−C催化剂以其对CO产物的高选择性，在电催化合成气制备过程中，尤其是在合成气比例n(H2)/n(CO)为0.5～5范围内表现出显著优势。研究采用有限元数值模拟方法，构建了二维膜电极电解槽（MEA）模型，探讨了Ni−N−C催化剂厚度与孔隙率对MEA中的传质、CO2RR及HER反应选择性和产物浓度分布的影响。通过对催化剂厚度5～95 μm和孔隙率0.2～0.9的进行模拟，发现随着催化剂厚度从65 μm增加到95 μm，CO2的扩散效果逐渐增强，限制了CO浓度的提高，从而影响合成气的比例，在电压为2.5～3.1 V范围内，合成气的比例稳定在1～5。另一方面，提高催化剂的孔隙率，特别是在0.2～0.9的范围内，有助于缓解CO2扩散对反应速率的限制，从而提升CO产物的浓度。在1.6～2.2 V的低电压范围内，能够制备得到比例为0.5～1的合成气。研究为MEA中催化剂的设计和优化提供了理论支持，能够为未来电催化CO2还原反应的工业应用提供指导。

来源：2025年第7期

《洁净煤技术》期刊编辑部

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