捕获碳变废为宝?一款强酸性电解槽将碳的利用率提高到50%

2021-06-14 21:19:37 DeepTech深科技

变废为宝的奇迹正在上演,也许不久后,我们喝水时手中的塑料瓶,睡觉时躺着的床垫…… 这些与我们日常生活息息相关的东西,都有可能是由二氧化碳制成的。

近日,多伦多大学工程学院的研究人员开发出一种改进的电化学系统,通过将过剩的二氧化碳转化为有价值的产品(如乙烯和乙醇),可提高捕获二氧化碳的利用价值。

与此前电化学系统不同的是,该团队的电解槽可在强酸性条件下运行,从而大大提高了碳转化的比例。这有助于为捕获的碳创造一个经济性市场,同时也可为当今使用的基于化石燃料的制造过程提供一种低碳替代品。

图 | 论文发表在《科学》期刊(来源:Science)

加拿大纳米技术研究主席、多伦多大学工程学院副院长泰德・萨金特(Ted Sargent)教授领导的团队设计并主导了这项研究,相关论文以《在强酸中电解 CO2 制作多碳产品》(“CO2 electrolysis to multicarbon products in strong acid”)为题,于 6 月 4 日发表在 Science 杂志上,其中泰德・萨金特担任论文通讯作者。

另据悉,多伦多大学电气与计算机工程系的博士黄嘉楠是该论文的第一作者,另外还有两位研究员,分别是是阿德南・奥兹登(Adnan Ozden )和李凤旺,目前李凤旺正在悉尼大学继续相关领域的研究。

捕获碳的价值尚未得到有效挖掘

二氧化碳对气候的影响正在加剧,全球变暖、极端天气频发,一切似乎都在提醒人类一个事实:二氧化碳的治理已经刻不容缓。

5 月 31 日,《地球和行星科学年度评论》(Annual Review of Earth and Planetary Sciences)科学期刊提供了一份迄今为止最详细的二氧化碳变化数据。在这份数据中,时间跨度可追溯到 6600 万年前,从上面能够清楚地看出二氧化碳与气候的关系,并预测二氧化碳的持续增加,将可能使人类重回 “史前气温”。

不管这个预测是否会成为现实,二氧化碳正在推动本世纪末升温突破 3℃,这已经是不争的事实。在该趋势下,国际能源署(IEA)最近提出了将碳捕获和封存(Carbon Capture andStorage,简称 CCS)的策略,并认为这将有利于限制全球碳排放量,从而在 2050 年将全球变暖限制在 1.5℃内 。

相关资料显示,CCS 是指将大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放源产生的二氧化碳收集起来,并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。可惜由于技术等限制因素,目前捕获的碳几乎没有任何经济价值,很难对投资方产生吸引力,因此极少能得到资金和技术方面的支持。

研发团队发现强酸性条件下也可运行电解槽

“在以前的系统中,你必须选择是专注于电力的有效利用,还是碳的有效利用,” 泰德・萨金特说,“而此次我们团队在电解槽内使用了一种新的催化剂,可以消耗大部分的输入碳,同时还可以保持良好的生产力以生产理想的高价值产品。”

按照正常实验程序,在电解槽中捕获的二氧化碳溶解在液体电解质中,电解质流过固体催化剂,通过该催化剂供电。

图 | 电解槽研究(来源:多伦多工程学院)

“我们想要的是反应器中溶解的二氧化碳吸收电子,转化为乙烯和其他有使用价值的的产品。但是在之前在高 pH 值(即碱性或中性条件)下运行的报告中,大部分二氧化碳被浪费了,因为它被转化为碳酸盐。” 黄嘉楠表示。

黄嘉楠在接受媒体采访时表示,这些转化出来的碳酸盐虽然可以被提取,也可重新转化为二氧化碳并送回电解槽,但这样做的能源成本很高。其团队的计算表明,整个系统消耗的能量中有一半以上将使用该方式回收碳酸盐。

因此,研究人员必须通过一种方式来防止碳酸盐的形成,而不是将形成的碳酸盐提取再转化。经过多次尝试,他们发现低 pH 值或酸性条件可以解决这个问题。

但是,新的问题也随之出现,此时的电解槽里的酸性溶液,开始吸收电子并转化为氢气,最终导致能够与二氧化碳结合的电子寥寥无几。

为了解决这一新问题,黄嘉楠所在团队增加了电流密度,从而可生产出更多电子。这样酸性溶液中的氢离子吸收电子时,由于质量传输限制会陷入一种类似交通拥挤的状况。然后,再向反应器中添加带正电的离子,即可形成电场,最终使二氧化碳更容易被吸附到表面,从而在与氢气的竞争中占据优势。

“实际上,我们正在创建一个完全属于酸性环境的反应器,除了催化剂表面不到 50 微米内的一个小层,只有那个特定区域是微碱性的。在那里,二氧化碳可以被这些电子还原为乙烯。” 黄嘉楠说道。在这种方法下,新系统将超过 50% 的捕获碳转化成了有价值产品,远超过之前不到 15% 的利用率。

道达尔公司的碳捕集和利用负责人菲利普・卢埃林评价称:“在当前二氧化碳捕集成本很高的情况下,这一突破有助于为二氧化碳的捕获利用铺平道路,大大提高其经济可行性,如果进一步考虑到实现全球气候目标所需的巨额碳税时,电解槽的上市时间或许会明显加快。”

虽然该研究在扩大到工业层次和水平之前,还有一些障碍需要克服,比如催化剂在尺寸增加时的稳定性等问题,但它的现实意义并不能被忽视。尤其是对气候变化和能源利用而言,更具有决定性的战略价值,值得我们持续关注并为之不懈探索。

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参考:

https://phys.org/news/2021-06-acid-low-ph-recycles-carbon-valuable.html

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