研究提出了捕获和转化二氧化碳的节能途径

在全球减少温室气体排放的竞赛中，麻省理工学院的科学家们正在寻求碳捕集技术，以实现最顽固的工业排放者的脱碳。

钢铁、水泥和化学制造业是特别难以脱碳的行业，因为碳和化石燃料是这些行业生产的固有成分。能够捕捉碳排放并将其转化为反馈到生产过程中的形式的技术有助于减少这些 “难以消减 “行业的总体排放量。

但迄今为止，捕获和转化二氧化碳的实验技术都是作为两个独立的过程进行的，而这两个过程本身就需要大量的能源来运行。麻省理工学院的研究小组希望将这两个过程结合成一个集成的、能效高得多的系统，该系统有可能使用可再生能源，从集中的工业源头捕集和转化二氧化碳。

在今天发表在《ACS Catalysis》上的一项研究中，研究人员揭示了如何通过单一电化学过程同时捕获和转化二氧化碳的隐藏功能。这一过程包括使用电极吸引从吸附剂中释放出来的二氧化碳，并将其转化为还原的、可重复使用的形式。

其他人也报告了类似的演示，但驱动电化学反应的机制仍不清楚。麻省理工学院的研究小组进行了大量实验来确定这一驱动因素，结果发现，归根结底，它取决于二氧化碳的分压。换句话说，与电极接触的二氧化碳纯度越高，电极捕获和转化二氧化碳分子的效率就越高。

对这一主要驱动因素或 “活性物种 “的了解，可以帮助科学家调整和优化类似的电化学系统，从而在一个综合过程中有效地捕获和转化二氧化碳。

这项研究的结果表明，虽然这些电化学系统可能不适用于非常稀薄的环境（例如，直接从空气中捕获和转化碳排放物），但它们非常适合工业生产过程中产生的高浓度排放物，特别是那些没有明显可再生替代品的排放物。

“我们可以而且应该改用可再生能源发电。研究报告的作者、麻省理工学院1922级职业发展副教授贝塔尔-加兰特（Betar Gallant）说：”但水泥或钢铁生产等行业的深度脱碳具有挑战性，需要更长的时间。研究报告的作者、麻省理工学院1922级职业发展副教授贝塔-加兰特（Betar Gallant）说：”即使我们淘汰了所有的发电厂，我们也需要一些解决方案来在短期内解决其他行业的排放问题，然后才能实现这些行业的完全脱碳。这就是我们看到的一个甜蜜点，类似这个系统的东西可以适合这个甜蜜点。

该研究的麻省理工学院合著者包括主要作者、博士后格雷厄姆-莱维里克（Graham Leverick）和研究生伊丽莎白-伯恩哈特（Elizabeth Bernhardt），以及马来西亚双威大学的艾西娅-伊利亚尼-伊斯梅尔（Aisyah Illyani Ismail）、罗俊辉（Jun Hui Law）、阿里夫-阿里富扎曼（Arif Arifutzzaman）和穆罕默德-凯瑞丁-阿鲁阿（Mohamed Kheireddine Aroua）。

打破束缚

碳捕集技术旨在捕集发电厂和制造设施烟囱中的排放物或 “烟道气”。主要是通过大型改造设备将排放物导入装有 “捕获 “溶液（胺或氨基化合物的混合物）的室中，这种溶液与二氧化碳发生化学结合，产生一种稳定的形式，可以从烟道气的其余部分中分离出来。

然后，通常使用化石燃料产生的蒸汽进行高温处理，将捕获的二氧化碳从胺键中释放出来。纯净的二氧化碳气体可以被泵送到储气罐或地下、矿化或进一步转化为化学品或燃料。

“碳捕集是一项成熟的技术，其化学原理已经有大约 100 年的历史，但它需要真正的大型装置，而且运行成本相当高，能源密集，”Gallant 指出。”我们需要的是更模块化、更灵活的技术，可以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研究小组正在开发一种电化学系统，既能回收捕获的二氧化碳，又能将其转化为还原的可用产品。她说，这样一个综合系统，而不是一个分离的系统，可以完全由可再生能源供电，而不是由化石燃料产生的蒸汽供电。

他们的概念集中在一个电极上，这个电极可以安装在现有的碳捕集解决方案的腔体内。当向电极施加电压时，电子就会流向二氧化碳的活性形式，并利用从水中提供的质子将其转化为产物。这样，吸附剂就可以吸附更多的二氧化碳，而不是使用蒸汽来吸附二氧化碳。

Gallant 以前曾证明，这种电化学过程可以捕获二氧化碳并将其转化为固体碳酸盐形式。

“她说：”我们在非常早期的概念中就证明了这种电化学过程是可行的。她说：”从那时起，就有其他研究集中于利用这一过程尝试生产有用的化学品和燃料。但对这些反应的工作原理的解释并不一致”。

独奏二氧化碳

在新的研究中，麻省理工学院的研究小组用放大镜来观察驱动电化学过程的具体反应。在实验室中，他们生成了类似于用于从烟道气中提取二氧化碳的工业捕集溶液的胺溶液。他们有条不紊地改变每种溶液的各种特性，如 pH 值、浓度和胺的类型，然后让每种溶液通过银电极，银是一种广泛用于电解研究的金属，已知能有效地将二氧化碳转化为一氧化碳。然后，他们测量了反应结束时转化的一氧化碳浓度，并将这一数字与他们测试的其他每种溶液的数字进行了比较，以确定哪种参数对一氧化碳的生成量影响最大。

最后，他们发现，最重要的并不是像许多人怀疑的那样，最初用来捕获二氧化碳的胺的类型。相反，最重要的是溶液中避免与胺结合的、自由漂浮的二氧化碳分子的浓度。这种 “单独的二氧化碳 “决定了最终产生的一氧化碳的浓度。

“Leverick 说：”我们发现，与被胺捕获的二氧化碳相比，这种’单独’的二氧化碳更容易发生反应。”这告诉未来的研究人员，这种工艺在工业流中是可行的，可以有效地捕获高浓度的二氧化碳，并将其转化为有用的化学品和燃料”。

“Gallant 强调说：”这不是一种去除技术，这一点很重要。”它带来的价值在于，它可以让我们在维持现有工业流程的同时多次循环利用二氧化碳，从而减少相关排放。最终，我的梦想是利用电化学系统促进二氧化碳的矿化和永久储存–这是一种真正的清除技术。这是一个更长远的愿景。我们开始了解的很多科学知识都是设计这些工艺的第一步。

这项研究得到了马来西亚双威大学的支持。