碳达峰、碳中和背景下的电化学：我们可以做什么

每逢夏日炎炎，总有关于各种形容天气炎热的段子在朋友圈和微博广为流传，无不彰显着网友们的幽默风趣，以及对炎热天气的调侃。例如，有人说：我今天在路上看到了一块钱硬币，踌躇了半天愣是没敢捡，因为我怕被烫伤！也有人说，我今天中午点了一份冰粉，可得抓紧吃，要不一会就热啦。虽然这些段子给我们生活带来一些调剂，但是，在段子的背后，我们不能不思考，为什么现在的天气变得这么热？过度炎热的天气给我们带来了什么样的影响？我们应该如何解决这个问题？

19世纪中叶，蒸汽机的发明为人类社会文明的发展带来了持久的能源动力，自此，人类的发展伴随着煤炭、石油等化石能源的大量消耗，其产生的大量二氧化碳（CO2）也随之排放到大气中，导致大气中CO2含量逐年增加。CO2作为主要的温室气体之一，一方面，加剧了对太阳热量的吸收，另一方面，又阻碍了地球的热量向宇宙星空的辐射，这就相当于给地球穿上了一层厚厚的自热棉衣，所以，我们的地球“发烧”了。

据美国有线电视新闻网2022年7月20日报道1，受异常高温天气影响，格陵兰岛北部冰山正在快速融化，每日有约60亿吨冰消融，足以灌满720万个奥林匹克游泳池。若格陵兰岛冰盖全部融化，海平面将永久上升7.5米。

图1. 融化中的格陵兰岛冰盖1

冰川融化仅仅是温室效应带来的直接问题之一，随之而来的间接性、延伸性的极端气候变化、土地沙化、海平面上升、生态系统危机等无不威胁着人类的可持续发展。在这样的背景和危机中，2020年9月22日习近平主席在第75届联合国大会中郑重宣示：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”

毫无疑问，解决温室效应最主要的手段，就是降低大气中温室气体的含量，一是逐步减少排放，可以预见，2030年前达到“峰值”后，将逐年减少排放量，这就是“碳达峰”目标；二是消耗大气中CO2，直到达到排放和消耗的平衡，这就是“碳中和”目标。作为一名电化学领域的科研工作者，我们不禁审视自身：电化学，可以做些什么呢？

众所周知，CO2来源于化石能源，也就是煤炭、石油等燃烧过程的排放，那么，我们可以把CO2反过来变成燃料吗？

图2. “液态阳光”技术路线4

2017年，大连化物所李灿院士团队，在《Science Advance》报道了将CO2转化为甲醇的重量级成果2，提出了“液态阳光”的概念3，即利用太阳能、风能等发电，进行电催化分解水产氢，然后氢气与CO2在催化剂作用下结合生成甲醇，即“液态阳光”—甲醇（技术路线见图2所示，图片来源于网络4）。2020年1月，“液态阳光”示范项目投料试车（见图3，位于兰州的示范工厂5），这是全球范围第一次直接太阳能转化为燃料的规模化合成的尝试，该项目每年预计消耗CO2约2000吨，生产甲醇约1500吨，标志着我国利用可再生能源制备液体燃料迈出了工业化的第一步！

图3. 位于兰州的“液态阳光”示范工厂全景图5

固然，我们可以将CO2通过可再生电能转化为燃料，那么，我们是否也可以将CO2直接转化为具有高附加值的终端产品呢？“电化学有机合成”成为这一转化路线的主要工具。

“电化学有机合成”是利用“电子”作为清洁还原试剂来将CO2进行活化，然后进一步固定得到具有高附加值的碳酸酯、羧酸及其衍生物等与我们生活息息相关的精细化学品。本小组利用“电化学”技术在CO2电羧化固定制备高值化学品领域做了大量的工作。

作为神经阻滞剂药物卡波卡因（一种麻醉剂），吡啶-2-甲酸是重要原料之一。本小组以溴吡啶和CO2作为初始原料，利用电化学技术，在温和的条件下，以较高的效率得到了羧化产物吡啶-2-甲酸6，（见图4）。该反应不仅实现了将CO2转化为具有高附加值的产物，也实现了CO2的重复利用，将CO2变“废”为“宝”，有助于进一步促进碳循环的进程。

图4. 溴吡啶电羧化示意图6

当然，作为电化学技术，电的能量来源也是一个关键性问题，目前，大量的电能仍然还是来自于火电厂，因此，若将光催化跟电催化结合起来，光电池将太阳能转化为电能，电能催动电催化化学反应，将CO2转化为高值化学品，势必成为一个十分具有前景的技术策略。

我们的电化学催化事业，以及“双碳”目标的尽快实现，都需要您的加入！

参考文献：
1.https://edition.cnn.com/2022/07/20/world/greenland-heat-wave-ice-melting-climate/index.html

2.Wang, J.; Li, G.; Li, Z.; Tang, C.; Feng, Z.; An, H.; Liu, H.; Liu, T.; Li. C. A highly selective and stable ZnO-ZrO2 solid solution catalyst for CO2 hydrogenation to methanol. Sci. Adv. 2017, 3,1701290.

3.王芳，风能，2021, 01, 24.

4.https://www.sohu.com/a/496543609_120469235

5.http://finance.sina.com.cn/jjxw/2022-08-19/doc-imizirav8849775.shtml

6.Zhang, Y.; Yu, S.; Luo, P.; Xu, S.; Zhang, X.; Zhou, H.; Du, J.; Yang, J.; Xin, N.; Kong, Y.; Liu, J.; Chen, B.; Lu, J. Fixation of CO2 along with bromopyridines on a silver electrode. R Soc Open Sci, 2018, 5, 180897.

导师简介

陈宝丽，博士，硕士研究生导师，聊城大学“光岳英才”。主要从事CO2的电化学固定利用等相关研究工作。主持并完成国家自然科学基金、山东省自然科学基金、聊城市科学发展计划项目等多项基金。作为重要参与人参与山东省青创团队基金项目1项。近年来，在国内外重要期刊发表SCI论文10余篇，申请国家发明专利7项，其中授权3项，作为主要参与人参编教材1部；指导本科生获聊城大学优秀毕业论文1项，指导本科生完成国家级创新创业训练计划项目1项。

招生专业：物理化学