捕获二氧化碳并有效地将其转化为能量

研究人员发现了如何通过单一电化学过程捕获和转化二氧化碳，其中使用电极（如图中覆盖着气泡的电极）来吸引从吸收材料中释放的二氧化碳，并将其转化为碳中性。产品。 图片来源：John Frieda/MIT MechE

这些结果依赖于单一电化学过程，可以帮助减少难以脱碳的行业（例如钢铁和水泥）的排放。

为了减少世界各地的温室气体排放，科学家们 麻省理工学院 他们专注于碳捕获技术，以减少最具挑战性的工业排放。

由于钢铁、水泥和化学制造等行业在生产过程中固有地使用碳和化石燃料，因此脱碳尤其困难。 如果能够开发出捕获碳排放并将其重新用于生产过程的技术，则可能会导致这些“难以缓解”行业的排放量大幅减少。

然而，目前捕获和转化二氧化碳的实验技术是作为两个独立的过程进行的，这本身就需要大量的能量来运行。 麻省理工学院的团队正在寻求将这两种过程结合成一个集成的、更节能的系统，该系统可以使用可再生能源来捕获和转化来自集中工业来源的二氧化碳。

关于碳捕获和转化的最新发现

9 月 5 日发表在期刊上的一项研究 ACS催化研究人员揭示了如何通过单一电化学过程捕获和转化二氧化碳的隐藏功能。 该过程涉及使用电极捕获吸收材料释放的二氧化碳，将其转化为可重复使用的稀释形式。

其他人也报道了类似的演示，但驱动电化学反应的机制仍不清楚。 麻省理工学院的团队进行了大量的实验来确定这种驱动力，最终发现这是由于二氧化碳分压造成的。 换句话说，与电极接触的二氧化碳越纯，电极捕获和转化分子的效率就越高。

找出这个主要的或“活跃的”引擎是什么。 分类“，可以帮助科学家微调和优化类似的电化学系统，以在集成过程中有效捕获和转化二氧化碳。

研究结果表明，尽管这些电化学系统可能不适合高度稀释的环境（例如，直接捕获和转化空气中的碳排放），但它们非常适合工业过程产生的高度集中的排放。 尤其是那些没有明确的可再生能源替代品的国家。

“我们可以而且应该转向可再生能源来发电，”该研究的作者、麻省理工学院 1922 届职业发展副教授 Petar Galant 说。“水泥或钢铁生产等行业的深度脱碳具有挑战性，需要时间。” “即使我们拆除所有发电厂，我们也需要一些解决方案来在短期内处理其他行业的排放，然后才能完全脱碳。 这就是我们看到的最佳点，像这样的系统可以发挥作用。

麻省理工学院这项研究的共同作者是主要作者、博士后研究员 Graham Leverick 和研究生 Elizabeth Bernhardt，以及来自马来西亚双威大学的 Aisha Iliani Ismail、Jun Hui Lo、Arif Arifuzzaman 和 Mohd Khairuddin Arua。

了解碳捕获过程

碳捕获技术旨在捕获发电厂和制造设施烟囱中的排放物或“烟气”。 这主要是通过大规模改造将排放物引导到充满“捕获”溶液的室中来完成的，“捕获”溶液是胺或氨基化合物的混合物，与二氧化碳发生化学结合，形成一种可以与其余部分分离的稳定形式。 来自烟道气。

然后通常以化石燃料蒸汽的形式施加高温，以从氨基键中释放捕获的二氧化碳。 纯净的气体可以被泵入储罐或地下、矿化或转化为化学品或燃料。

“碳捕获是一项成熟的技术，因为这种化学方法已为人所知大约 100 年，但它需要非常大的设施，而且运行起来非常昂贵且能源密集型，”Gallant 指出。 “我们想要的是更加灵活、灵活的技术，能够适应更多样化的二氧化碳来源。电化学系统可以帮助解决这个问题。”

她在麻省理工学院的团队正在开发一种电化学系统，可以回收捕获的二氧化碳并将其转化为一种减少的可用产品。 她说，这种集成而不是单独的系统可以完全由可再生电力提供动力，而不是由化石燃料产生的蒸汽提供动力。

他们的概念以电极为中心，该电极可以安装在现有的碳捕获解决方案室中。 当向电极施加电压时，电子流到二氧化碳的反应形式上，并利用水中提供的质子将其转化为产物。 这使得吸收剂可以结合更多的二氧化碳，而不是使用蒸汽来做同样的事情。

Gallant 此前已证明这种电化学过程可以捕获二氧化碳并将其转化为气体 固体碳酸盐的形式。

“我们证明这种电化学过程在非常早期的概念中是可能的，”她说。 “从那时起，就有其他研究专注于利用这一过程来尝试生产有用的化学品和燃料。但对于这些反应在幕后如何运作，一直存在不一致的解释。”

单独二氧化碳的作用

在这项新研究中，麻省理工学院的团队在引擎盖下使用了放大镜来梳理出驱动电化学过程的特定反应。 在实验室中，他们生产了类似于用于从烟气中提取二氧化碳的工业捕获溶液的氨基溶液。 他们系统地改变了每种溶液的不同特性，例如 pH 值、浓度和胺的类型，然后使每种溶液通过由银制成的电极，银是一种广泛用于电解研究的金属，因其能够有效地将二氧化碳转化为碳而闻名。 。 一氧化物。 然后，他们测量了反应结束时转化的一氧化碳浓度，并将该数字与他们测试的所有其他溶液进行比较，看看哪个参数对产生的一氧化碳量影响最大。

最后，他们发现最重要的并不是最初捕获二氧化碳所用的胺类型，正如许多人所预期的那样。 相反，单个游离二氧化碳分子的浓度避免了与胺的结合，但仍然存在于溶液中。 “单一二氧化碳”决定了最终产生的一氧化碳的浓度。

“我们发现与单一二氧化碳发生反应比与胺捕获的二氧化碳更容易发生反应，”莱弗里克说。 “这告诉未来的研究人员，这个过程对于工业流来说是可行的，因为高浓度的二氧化碳可以被有效地捕获并转化为有用的化学品和燃料。”

“这不是一种去除技术，值得一提的是，”Gallant 强调。 “它带来的价值在于，它使我们能够多次回收二氧化碳，同时维持现有的工业流程，以减少相关的排放。最终，我的梦想是电化学系统可用于促进二氧化碳的矿化和永久储存，这是一个真正的解决方案。去除技术。”这是一个长期愿景，我们开始了解的大部分科学都是设计这些过程的第一步。

参考： ”胺介导的二氧化碳中活性物质的检测₂ “Ag 中二氧化碳的还原”作者：Graham Leverick、Elizabeth M. 伯恩哈特、艾莎·伊利亚尼·伊斯梅尔、卢俊慧、A. Arif Al-Zaman、Muhammad Khairuddin Arwa 和 Petar M. Gallant*，2023 年 9 月 5 日， ACS催化。
doi：10.1021/acscatal.3c02500

这项研究得到马来西亚双威大学的支持。