随着全球人口的增长，化石燃料的消耗量空前增加，以满足能源需求和化学品生产的原料供应，这导致了大量的温室气体和其他污染物的排放。据估计，2015年化学工业的能源消耗达到了43艾焦/年，并向环境排放了约3.3吉吨CO2当量的排放物，这一趋势还在不断上升。因此，CO2的增值利用被提出作为一种有前景的路径，以减少有价值化学产品（如电子燃料、电子聚合物、电子化学品）的碳足迹。在这一背景下，CO2甲烷重整（CRM）和逆水煤气变换（RWGS）反应成为从捕获的CO2中生产合成气的有趣选择。然而，这两种反应的吸热特性意味着需要在高温下提供热能以维持反应，这在工业规模应用中通常通过燃料燃烧来实现，这对于CO2增值过程来说是一种悖论，因为它对总体CO2平衡产生负面影响。
在本研究中，米兰理工大学的Enrico Tronconi教授研究团队报道了一种在涂覆有催化剂的结构化反应器中直接电化学转化CO2的方法，即通过直接焦耳加热催化活化的开孔泡沫来实现CO2甲烷重整（eCRM）和逆水煤气变换（eRWGS）。这种方法利用了优化的热传递和质量传递特性，作为焦耳加热基底，通过与甲烷或氢气的反应来催化转化CO2。所提出的反应器系统，采用焦耳加热的Rh/Al2O3涂层泡沫，在超过75小时的运行中表现出了优异的催化和电气稳定性，操作温度高达800°C，并在高空间速度下接近平衡转化，即对于eRWGS和eCRM分别为600和100 kNl/kgcat/h。这种反应器概念有望确保CO2增值的特定能耗显著降低，假设优化过程配置，eRWGS的能耗约为0.7 kWh/Nm3 CO2。通过用可再生电力驱动的焦耳加热替代燃料燃烧，电化学CO2增值过程为处理可再生能源的间歇性提供了一种重要方法，通过在化学品中储存能量，实现低碳足迹。该成果以“Electrified CO2 valorization driven by direct Joule heating of catalytic cellular substrates”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上。
（1）高效电化学CO2转化：通过直接焦耳加热技术，实现了CO2向合成气的高效转化，包括CO2甲烷重整（eCRM）和逆向水煤气变换（eRWGS）反应，反应了合成燃料和化学品的生产意义。
（2）反应器的性能：开发的涂覆有Rh/Al2O3催化剂的开孔泡沫反应器在高达800°C的操作温度和高空间速度下，展现了超过75小时的优异催化和电气稳定性，确保了长期连续运行的可靠性。
（3）接近热力学平衡的转化率：通过电化学方法实现高效的二氧化碳转化，其中二氧化碳转化率在高操作温度（如700°C以上）和高空间速度（例如eRWGS的600 kNl/kgcat/h和eCRM的100 kNl/kgcat/h）条件下接近热力学平衡。实验数据显示，在800°C和高空间速度下，逆向水煤气变换（eRWGS）反应的二氧化碳转化率可超过90%，这证实了所提出反应器设计在促进CO2向合成气转化方面的高效性和实用性。这些结果突显了电化学技术在提高转化效率和推动工业应用中的潜力。
（4）显著降低的能耗：研究展示了通过电化学方法转化CO2的能耗可以显著降低，eRWGS过程的特定能耗计算值低至0.7 kWh/Nm³CO2 ，这实现了能源效率和成本效益的优化提供新途径。
图1 展示了电气化反应器布局的示意图。
图2 展示了裸露的SiSiC泡沫在石英管中进行焦耳加热的实验。这张图对于理解焦耳加热过程和泡沫材料在没有催化剂涂层时的热响应非常重要。
图3 展示了电气化反应器的热性能。这张图揭示了输入功率与反应器温度之间的关系，以及不同操作条件下反应器壁的温度分布，这对于理解反应器的热管理和操作条件的选择至关重要。
图4 展示了电气化反应器的催化性能。这张图显示了在不同温度下CO2和甲烷的转化率，以及与热力学平衡的比较，这对于评估催化剂的性能和反应器效率至关重要。
图5 展示了电气化反应器的CO2价值化性能。这张图展示了不同操作条件下的净CO2消耗、CO2转化率和特定能耗，这对于评估整个CO2转化过程的经济性和可持续性非常重要。
文献信息：Lei Zheng, Matteo Ambrosetti, Alessandra Beretta, Gianpiero Groppi, Enrico Tronconi. Electrified CO2 valorization driven by direct Joule heating of catalytic cellular substrates, Chemical Engineering Journal, Volume 466, 2023, 143154, ISSN 1385-8947.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143154.
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