利用可再生能源产生的电能驱动二氧化碳（CO2​）加氢转化为高附加值化学品，是实现碳循环和可持续发展的重要途径。本文提出一种多通道电催化 - 热催化耦合体系，通过在低温下协同电催化与热催化过程，有效提升CO2​加氢反应效率。研究表明，该体系不仅显著降低反应温度，还提高了目标产物的选择性和收率。通过优化电催化剂和热催化剂的组合，以及调控反应条件，实现了CO2​在温和条件下高效转化为甲醇、乙醇等燃料及化学品，为CO2​资源化利用提供了新的技术路径。

一、引言

      随着全球对气候变化和能源危机的关注日益增加，CO2​的减排和资源化利用成为研究热点。CO2​加氢反应可将温室气体转化为有价值的化学品和燃料，如甲醇、乙醇、烃类等，具有重要的环境和经济意义。传统的热催化CO2​加氢反应通常需要高温高压条件，这不仅消耗大量能源，还容易导致催化剂失活和副反应发生。因此，开发低温高效的CO2​加氢技术具有迫切需求。

      电催化CO2​加氢作为一种新兴技术，能够在相对温和的条件下进行反应，通过电能驱动反应进行，避免了高温带来的能耗和催化剂稳定性问题。然而，电催化过程中往往存在产物选择性低、电流密度小等挑战。将电催化与热催化相结合，构建多通道耦合体系，有望充分发挥两者优势，实现CO2​在低温下的高效转化。

二、多通道电催化 - 热催化耦合体系设计

1. 体系架构

多通道电催化 - 热催化耦合体系主要由电催化反应器和热催化反应器组成。电催化反应器采用膜电极组件（MEA）结构，以实现高效的CO2​电还原反应。在阴极，CO2​在电催化剂作用下得到电子并与质子结合，生成CO、甲酸、甲醇等中间产物或目标产物；阳极则发生析氧反应（OER）产生氧气。热催化反应器位于电催化反应器下游，将电催化产生的富含CO和H2​（可能还包含部分未反应的CO2​）的混合气体引入其中，在热催化剂作用下进一步发生加氢反应，生成更高级的烃类、醇类等产物。

2. 关键组件

• 电催化剂：选择具有高活性和选择性的电催化剂对于CO2​电还原反应至关重要。例如，铜基催化剂对CO2​电还原生成多碳产物具有较好的活性，但容易产生析氢副反应。通过对铜基催化剂进行修饰，如引入氮、硫等杂原子，或与其他金属形成合金，可以调控其电子结构和表面性质，提高对目标产物的选择性。此外，金属有机框架（MOF）衍生的催化剂由于其独特的多孔结构和丰富的活性位点，在CO2​电还原领域也展现出良好的应用前景。
• 热催化剂：热催化剂需要具备在低温下对CO加氢反应的高活性和选择性。对于生成甲醇的反应，Cu/ZnO/Al2​O3​催化剂是常用的工业催化剂，但在低温下活性有待提高。研究发现，通过优化催化剂的制备方法，如采用共沉淀法精确控制金属氧化物的比例和颗粒尺寸，或者添加助剂如 ZrO₂来增强催化剂的结构稳定性和活性位点数量，可以显著提升其在低温下的性能。对于生成烃类的反应，铁基催化剂由于其对CO的吸附和活化能力强，在合适的反应条件下能够实现高选择性的烃类合成。通过调控铁基催化剂的晶相结构、负载方式以及添加碱金属助剂等手段，可以优化其对不同链长烃类的选择性。

3. 工作原理

在电催化阶段，CO2​在阴极表面接受电子，通过多步质子耦合电子转移过程生成各种还原产物。例如，CO2​首先被还原为∗CO2−​中间体，然后进一步加氢生成∗COOH、∗CO、∗CH3​OH等物种。不同的电催化剂对这些中间体的吸附和转化能力不同，从而决定了产物的选择性。在阳极，水被氧化产生氧气和质子，质子通过质子交换膜迁移到阴极参与CO2​还原反应。电催化产生的混合气体进入热催化反应器后，热催化剂表面的活性位点吸附CO和H2​分子，CO在催化剂表面发生解离吸附形成∗C和∗O物种，∗C物种与H2​逐步加氢生成烃类或醇类产物。热催化过程中的反应路径和产物分布受到热催化剂的活性位点性质、反应温度、压力以及气体组成等多种因素的影响。通过精确调控电催化和热催化两个阶段的反应条件，可以实现对整个耦合体系产物分布和性能的优化。

三、低温反应路径探索

1. 反应机理研究

利用原位表征技术，如原位傅里叶变换红外光谱（in - situ FTIR）、原位 X 射线光电子能谱（in - situ XPS）和原位拉曼光谱等，对多通道耦合体系中CO2​加氢的反应机理进行深入研究。在电催化阶段，in - situ FTIR 可以实时监测CO2​还原过程中各种中间体的生成和转化。例如，在铜基催化剂表面，可以观察到∗CO2−​、∗COOH和∗CO等中间体的特征红外吸收峰，通过分析这些峰的强度和变化趋势，能够推断出反应的主要路径。研究发现，在特定修饰的铜基催化剂上，∗CO中间体更容易进一步加氢生成多碳产物，而不是发生析氢副反应。在热催化阶段，in - situ FTIR 同样可以用于监测CO加氢过程中烃类和醇类产物形成过程中的关键中间体，如∗CHx​物种。结合理论计算，如密度泛函理论（DFT）计算，可以深入理解反应过程中各物种在催化剂表面的吸附能、反应能垒以及反应路径。DFT 计算结果表明，在添加特定助剂的铁基热催化剂上，CO解离吸附的能垒降低，有利于C−C耦合反应的发生，从而促进长链烃类的生成。

2.低温反应优势

多通道电催化 - 热催化耦合体系在低温下具有显著优势。从热力学角度来看，CO2​加氢反应通常是放热反应，降低反应温度有利于平衡向生成产物的方向移动。在低温下，一些副反应，如甲烷化反应和深度加氢反应的速率受到抑制，从而提高了目标产物的选择性。例如，在传统热催化CO2​加氢制甲醇反应中，高温下容易发生甲醇进一步加氢生成甲烷的副反应，而在多通道耦合体系的低温条件下，该副反应明显减少，使得甲醇的选择性显著提高。从动力学角度分析，电催化过程能够在较低的过电位下驱动CO2​还原反应，避免了高温对催化剂活性位点的破坏，延长了催化剂的使用寿命。同时，低温环境有助于保持催化剂的结构稳定性，减少因高温导致的催化剂烧结和积碳现象，进一步提高了催化剂的性能和稳定性。

3. 反应条件优化

通过系统研究反应温度、压力、气体流量比以及电流密度等反应条件对多通道耦合体系性能的影响，确定了最佳的反应条件。在电催化阶段，较低的电流密度有利于提高产物的选择性，但会降低反应速率，经过优化发现，在适当的电流密度范围内（例如 50 - 100 mA/cm²），可以在保证一定反应速率的同时，实现较高的目标产物选择性。在热催化阶段，反应温度对产物分布影响显著。对于CO2​加氢制甲醇反应，在 200 - 250℃的温度范围内，甲醇的收率和选择性较高；对于制烃类反应，根据目标产物的不同，适宜的反应温度有所差异，一般在 250 - 350℃之间。压力的增加有利于提高CO2​和H2​在催化剂表面的吸附量，从而促进反应进行，但过高的压力会增加设备成本和安全风险。通过实验优化，确定了合适的压力范围为 2 - 4 MPa。此外，调节CO2​与H2​的流量比也可以调控反应的选择性，例如在制甲醇反应中，适宜的CO2​/H2​流量比约为 1:3。

四、实验验证与结果分析

1. 实验装置与方法

搭建了一套多通道电催化 - 热催化耦合CO2​加氢实验装置。电催化反应器采用自制的 MEA 结构，阴极和阳极分别负载电催化剂，中间为质子交换膜。热催化反应器为固定床反应器，填充热催化剂。实验过程中，首先将CO2​和H2​的混合气体通入电催化反应器，在设定的电流密度和温度下进行电催化CO2​还原反应。电催化反应产生的气体产物经过净化和分析后，进入热催化反应器进行进一步加氢反应。热催化反应器的温度、压力和气体流量等条件通过控制系统进行精确调节。反应产物通过气相色谱 - 质谱联用仪（GC - MS）和气相色谱仪（GC）进行分析，确定产物的组成和含量。

2.性能评估指标

采用CO2​转化率、目标产物选择性和收率作为性能评估指标。CO2​转化率通过反应前后CO2​的流量和浓度变化计算得出。目标产物选择性定义为生成目标产物所消耗的CO2​量占总消耗CO2​量的百分比。收率则是CO2​转化率与目标产物选择性的乘积。此外，还考察了催化剂的稳定性，通过长时间连续运行实验，监测CO2​转化率和产物选择性随时间的变化情况。

3.实验结果讨论

实验结果表明，多通道电催化 - 热催化耦合体系在低温下展现出优异的性能。在优化的反应条件下，CO2​转化率可达 60% 以上，甲醇选择性最高可达 90%，乙醇等其他含氧化合物也具有一定的选择性。与单独的电催化或热催化过程相比，耦合体系的产物收率得到显著提高。例如，单独电催化CO2​加氢反应在相同条件下，CO2​转化率仅为 30% 左右，甲醇选择性为 70% 左右；单独热催化反应虽然CO2​转化率较高，但甲醇选择性较低，且需要较高的反应温度。通过对比不同电催化剂和热催化剂组合的实验结果发现，特定的铜基电催化剂与优化后的Cu/ZnO/Al2​O3​热催化剂组合能够实现最佳的耦合效果。在稳定性测试中，该耦合体系在连续运行 100 小时后，CO2​转化率和产物选择性基本保持稳定，表明催化剂具有良好的稳定性。

五、结论与展望

      本文构建的多通道电催化 - 热催化耦合体系为CO2​加氢提供了一种低温高效的反应路径。通过深入研究反应机理、优化反应条件以及筛选合适的催化剂，实现了CO2​在温和条件下向高附加值化学品和燃料的高效转化。该体系不仅降低了反应能耗，还提高了产物的选择性和收率，具有广阔的应用前景。然而，目前该技术仍面临一些挑战，如电催化剂和热催化剂的进一步优化以提高活性和稳定性，耦合体系的工程放大以及成本降低等问题。未来的研究可以集中在以下几个方面：一是开发新型高效的催化剂材料，利用先进的材料制备技术和理论计算方法，设计具有更优异性能的电催化剂和热催化剂；二是深入研究耦合体系的协同作用机制，进一步优化反应条件和反应器结构，提高整个体系的能量效率和经济性；三是开展中试规模的实验研究，为该技术的工业化应用提供数据支持和技术储备。相信随着研究的不断深入，多通道电催化 - 热催化耦合CO2​加氢技术将在碳减排和能源领域发挥重要作用。

产品展示

      二氧化碳和氢气在催化剂的作用下，可以直接反应生成甲醇。这个反应通常是在特定的温度和压力条件下进行的，以确保反应的高效性和产物的选择性。‌温度‌：一般来说，反应温度需要在一定范围内，以确保催化剂的活性和反应速率。通常，这个温度范围是在250℃~350℃之间。‌压力‌：反应压力也是一个关键因素，它影响着反应物和产物的平衡状态。在二氧化碳加氢制甲醇的反应中，通常需要在较高的压力下进行，如6-8MPa。

      催化剂在这个反应中起着至关重要的作用，它能够降低反应的活化能，加速反应速率，并提高产物的选择性。目前，常用的催化剂主要有以Cu基催化剂为主的过渡金属催化剂、贵金属催化剂、氧化物催化剂等。这些催化剂的设计和选择需要考虑到反应条件、产物的选择性以及催化剂的稳定性等因素。

      SSC-TRC700-4多通道二氧化碳加氢装置是为了教学和探索石化能源之间的相互转化的原理。了解催化剂、工艺参数对CO2加氢装置反应性能和产物分布的影响；学习气相色谱分析方法，掌握基本的实验方法和操作技能，培养学生具有进行科学实验的能力。

装置为4通道反应器，每个通道需要连接CO2、氢气、氮气、空气四路气体，量程0-200 mL/min，4个通道可同时进行不同气体流速、压力的实验。

反应器恒温区不少于20cm，催化剂装填量5 mL。

反应压力：高压4 MPa，反应温度：500℃，可多段程序升温控制，气化混合器，底部是双盘管预热器，上部是设有折流板的混合罐，两部分都置在预热炉内。出口操作温度:室温~300℃可调节。PLC组态软件系统控可实现多段程序升温控，控温精准度±1%。反应器之后至VICI10通阀进行伴热保温（200℃）背压阀体设置保温箱内并有200℃伴热保温。背压阀后分为热分析及冷分析两种色谱分析路径。

控制系统：自动和手动双系统。通过软件自动控制气体进料开和关、速率，并能够弹窗、声光、语音报警及联动制动保护。每通均道配备21吋全触摸屏幕。

智能学习系统：软件设计有智能引导学习模式，包含与实验装置相配套的理论教学视频，视频包括实验目的、原理、要点、装置流程、操作步骤、注意事项等内容；提供操作评价系统，对学生的实验操作过程进行实时评分。

装置配备色谱，每台配置FID检测器和TCD检测器，要求FID采用大口径PLQT Q 毛细色谱柱能够分析C1-C6的总包有机烃，TCD检测器使用能够分离CO2、CH4、CO和N2的色谱柱。色谱可实现在线自动取样功能。

产品技术参数：

（1）设计温度：1000 ℃；最高使用温度：500 ℃；

（2）温度控制：±1 ℃；

（3）设计压力：10MPa；最高使用压力：4MPa；

（4）反应器数量：4；

（5）每个反应器均有单独21.5吋触控屏控制控温、测温、控制气体流速；

（5）催化剂装填量：5mL；恒温区：22cm；

（6）反应器材质310S，其余管件316L；

（7）气体质量流量控制器：0~200ml/min，4路气体（CO2、氢气、氮气、空气）；

（8）气体流量：准确度±1%F.S；   重复性±0.2%F.S ；

（9） VICI 10通阀：4；与背压阀同在200℃恒温保温箱中；   

色谱参数：

（1）操作显示：7寸彩色液晶触摸屏，可作手持控制器使用

（2）温控区域：8路

（3）温控范围：室温以上4℃～450℃，增量： 1℃，精度：±0.1℃

（5）程序升温阶数：16阶(可扩展)

（6）程升速率：0.1～80℃/min

（7）路控制：精密机械阀流量控制

（8）外部事件：8路；辅助控制输出2路

（9）进样器种类：填充柱进样、毛细管进样、六通阀气体进样、自动进样器

（10）检测器数目：2个；FID、TCD

（11）启动进样：手动、自动可选

（12）通信接口：以太网：IEEE802.3