以電池化學為靈感捕獲碳

　　伯克利實驗室的研究人員正在開發一系列技術以實現“凈零”排放。

　　現在，需要負排放技術來解決我們的氣候危機已經變得越來越明顯。以我們的星球排放二氧化碳的速度——每年增加約50吉噸——到2050年，我們將不得不以千兆噸的規模去除二氧化碳，以實現“凈零”排放。

　　美國能源部已經認識到去除二氧化碳的緊迫性。勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）正在通過自己的負碳倡議來實現它。伯克利實驗室通過一些種子資金，資助一系列新興技術，以去除和隔離大氣中的二氧化碳。

　　受資助的項目包括直接捕獲空氣的化學方法和進行技術經濟分析，以使這些項目更具影響力和實用性。伯克利實驗室的科學家Bryan Mc Closkey也是加州大學伯克利分校化學學院的教授，他決定使用電化學方法來捕獲二氧化碳。他說，他的技術可能比目前使用的系統更節能。

　　問：什么是電化學，它如何用于捕獲二氧化碳？

　　一種非常簡單的說法是，電化學涉及產生或消耗電子的反應。最常見的電化學裝置包括電池、燃料電池和傳感器。事實上，我的主要研究重點是電池。

　　當談到使用電化學方法從空氣中提取CO2時，這是一個發展中的領域，與更成熟的封存二氧化碳的方法相比，例如重新造林、風化和BECCS（具有碳捕獲和儲存的生物能源）。電化學界正在迎頭趕上。但我認為那里有很大的機會。

　　有些人一直在研究如何通過設計可以與CO2發生可逆反應的分子來從空氣中去除CO2，這意味著它們可以在一定的施加電壓下吸收CO2，然后在不同的電壓下形成CO2。使用電化學方法捕獲CO2可以使整個過程依靠可再生電力運行，而不是依靠燃燒燃料來再生CO2吸附劑分子的熱方法。

　　我們的項目利用CO2和氫氧根離子之間的自發反應來捕獲CO2，然后使用電化學方法從形成的碳酸氫鹽溶液中再生氫氧根離子。

　　問：你能解釋一下它是如何工作的嗎？

　　首先，您將通過吸收器使空氣鼓泡——在我們的例子中，是氫氧化鈉溶液。CO2將反應形成碳酸氫鈉或碳酸鈉。然后我們將碳酸氫鹽溶液送入我們的電化學電池中，以再生氫氧化鈉。

　　在電化學電池中，您需要在電池的每個電極上發生兩種不同的反應。在一個電極上，我們氧化碳酸氫鹽以形成加壓的CO2流，然后可以將其隔離或用作其他轉化過程的原料。在另一個電極上，我們放出氫氣，它消耗質子來再生堿性溶液。制氫當然是我們堿性再生方案的一個好處，因為它是一種高價值產品，可用作碳中性燃料。

　　我們的電化學電池將與吸收器一起作為閉環運行，盡管還需要進水來補充參與電極反應的水。因此，我們實質上是從空氣中提取CO2并將其濃縮成純CO2流和氫氣流。

　　問：這種系統有什么優勢？

　　我們相信，與其他競爭工藝相比，它可以提高從空氣中捕獲CO2的能源效率和成本。直接空氣捕獲的商業方法使用熱方法來再生吸收劑。它需要非常高的熱量，大約800攝氏度。這就是當前系統每捕獲一噸CO2的成本高達600美元（3964元人民幣）的原因之一（盡管一些公司已發表聲明稱其技術成本低于每噸200美元）。通過粗略的計算，我們估計如果一切順利，我們的系統每捕獲一噸CO2的成本可能在100美元（660元人民幣）左右。當然，這是假設我們找到了理想的、具有成本效益的電池材料。

　　問：那么，讓它發揮作用的挑戰是什么，你對它的作用有多大信心？

　　我們追求三項創新。首先是電化學電池的設計。電池的穩定性必須很好。在任何電化學系統中，運行性能都會緩慢衰減，因此您希望嘗試設計一個穩健的系統，從而實現高能效，并盡可能降低成本。

　　其次是膜。膜是將電池的兩個電極彼此隔離開來的。否則，你會得到氫氣和CO2的混合物，輸出純凈氣流更有價值。這種情況下的原型膜稱為Nafion——它用于燃料電池和許多其他應用。Nafion有很好的性能，但它非常昂貴，因此大規模使用并不實用。我們需要設計一種更具成本效益的膜。

　　第三，我們需要合適的催化劑用于碳酸氫鹽生成CO2的反應。一個好的催化劑意味著如果你在電極表面施加一個小的電壓，你就有一個非常高的反應速率。

　　問題是，與正在開發的其他技術相比，它是如何工作的？這只是一個問題，我們是否達到每噸CO2 100美元，還是接近每噸1000美元，這不會使其具有競爭力？因此，這些是我們需要牢記在心的問題。

　　在伯克利實驗室做這個項目給了我們很多優勢。我們擁有所有這些不同領域的專家，例如膜技術、分子模擬和建模以及電催化。LiSA（液體陽光聯盟）隨著時間的推移積累了很多知識。高級光源（Advanced Light Source）是一種讓我們能夠詳細了解分子相互作用的能力——與其他任何地方相比，這是我們在伯克利實驗室擁有的巨大優勢。因此，我認為我們具有獨特的定位，因為我們在各種不同領域擁有廣泛的專業知識來制造這樣的設備。

　　（原文來自：清潔技術 全球儲能網、新能源網綜合）