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随着社会经济的发展，CO₂过度排放引发的生态问题日益凸显，温室效应和极端气候事件威胁着全球生态环境和人类健康。在这种背景下，我国提出了“碳达峰”和“碳中和”目标。在各项减排方案中，碳捕集与利用一体化技术（ICCU）可以将CO₂捕获并转化为高附加值产物，不仅具有良好的经济效益，也能缓解CO₂的过度排放问题。然而传统ICCU加热解吸CO₂过程耗能巨大，亟需一种低能耗、性能优异的碳捕获与转化集成技术与装置。

在本次挑战杯“揭榜挂帅”项目中，北京低碳清洁能源研究院提出了低成本碳捕获与转化一体化的研究目标，期待竞选团队能够在产物转化率与选择性、CO₂循环处理和能耗与成本优势等方面展现出较强竞争力和应用前景。

为此，参赛团队研发出一种高效率碳酸氢盐电解槽（BCE）能够实现集成的碳捕获与转化。

在产物转化率与选择性方面，通过从分子层面设计了酞菁钴（CoPc）与碳纳米管（CNT）复合的单原子催化剂（CoPc@CNT）增加CO₂的吸附能力，系统层面引入穿梭流动策略促进CO₂向催化剂表面的传质，最终确保了催化剂表面有足量的活化态CO₂。该系统在300 mA·cm^-2的大电流下拥有超过96.2%的CO法拉第效率(FE)，在转化效率方面实现了巨大的提升。

在CO₂循环处理方面，装置使用K₂CO₃溶液对工业废气中的CO₂进行吸收形成KHCO₃溶液，KHCO₃溶液通入反应器中与阳极产生的质子结合原位释放CO₂，并通过电化学还原原位高效率转化为CO，而转化过程同时产生K₂CO₃溶液可实现循环利用，具有良好的CO₂循环处理能力。

在能耗与成本优势方面，得益于该体系避免了高能耗的CO₂解吸过程，同时实现了高法拉第效率的CO₂转化，经计算，该碳酸氢盐电解槽相比传统方法相比能耗降低了36%，成本降低了33%，实现了降低能耗与成本的目标。

因此，本项目的成果从产物选择性、可循环性和能耗与成本方面均圆满实现了“揭榜挂帅”题目的目标，未来该团队将继续推进该课题的放大化与科研转化，有望成为未来碳减排与碳转化方面的优异技术解决方案。相关文章以“Hierarchical Design Enables Sufficient Activated CO₂ for Efficient Electrolysis of Bicarbonate to CO”为题发表在Joule上(https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.04.006)。

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