Nature Energy研究论文|莱斯大学汪淏田教授团队:电化学再生高纯度CO₂,助力高效碳收集

文摘   2024-10-18 16:02   吉林  




Part.01

研究背景


二氧化碳(CO₂)及再生是应对气候变化的关键技术之一,尤其是在传统化石燃料完全被可再生能源替代之前,碳在减少工业和运输等领域的碳排放中具有重要意义。传统的碳技术,如胺洗涤法,依赖化学吸收剂与CO₂反应形成碳酸化合物,然后通过加热来分解这些化合物以再生CO₂,所需温度通常在110至140℃,占据了整个过程约70%的能源消耗。虽然胺类吸收剂较为成熟,但腐蚀性大、成本高,而碱性溶液(如NaOH或KOH)则因其低腐蚀性、高吸收能力、氧耐受性和环境友好性,成为大规模应用的理想吸收剂。然而,这些溶液在与CO₂反应形成稳定的碳酸盐后,传统的热再生方法需要极高能耗(如碳酸钾再生需900℃的加热)。相比之下,电化学再生技术因其能在常温常压下操作,避免复杂的热再生基础设施,且可利用可再生电力,成为一种更为绿色、节能的CO₂和再生方案。



Part.02

研究内容


本文提出了一种创新的电化学方法,通过模块化多孔固体电解质(PSE)反应器,实现从碳酸盐和碳酸氢盐溶液中高效再生高纯度CO₂。研究中,通过析氢反应和氢氧化反应(HER/HOR),该反应器能够将NaHCO₃/Na₂CO₃溶液电解分离成NaOH和CO₂气体。PSE反应器的设计具有三个独立的反应腔室,分别由质子交换膜(PEM)和阳离子交换膜(CEM)分隔。电解过程中,钠离子从溶液中迁移到阴极室,生成NaOH,而碳酸氢根离子则被酸化生成碳酸,最终分解为高纯度CO₂气体。研究结果表明,该反应器具有高达90%的钠离子传输效率,并且可以在长达100小时的运行中保持约90%的CO₂吸收容量。通过实验,研究团队展示了该系统在工业相关条件下的显著性能,包括CO₂再生速率达到18 mmol·cm⁻²·h⁻¹(对应1 A·cm⁻²的电流密度)。在能耗方面,该系统在1 mA·cm⁻²和100 mA·cm⁻²电流密度下,分别展示了50 kJ·molCO₂⁻¹和118 kJ·molCO₂⁻¹的低能耗。该设计不仅有效解决了传统热再生的高能耗问题,还避免了反应中副产品的生成,如H₂或O₂。



Part.03

图文解析


图1:热再生与电化学再生CO₂的比较。


图1a展示了通过钙循环技术进行CO₂捕获的流程,其中CaCO₃在900℃下进行煅烧,生成纯CO₂和CaO,整个过程能量消耗极高,且大多来自化石燃料的燃烧,这会产生大量需要重新的碳排放。图1b展示了电化学CO₂捕获循环通过使用可再生能源在常温常压下进行碳酸盐或碳酸氢盐溶液的电解,将其再生为NaOH吸收剂和纯CO₂的过程。这种方法避免了高温煅烧过程,展现了较高的模块化和扩展性,适合大规模应用。


图2:本文设计的PSE反应器与传统电解装置的CO₂再生比较。


图2a展示了传统的电化学CO₂释放使用阳离子交换膜(CEM)在MEA装置中进行CO₂再生的过程,CO₂气体会与在阳极室中产生的O₂混合,影响CO₂的纯度。图2b展示了传统的pH摆动法将酸和碳酸氢盐混合产生CO₂,由于涉及过多的水蒸发以恢复盐浓度,能耗较高,同时生成副产品如H₂或Cl₂。图2c展示了本文设计的三腔室PSE反应器,通过CEM和PEM分离阴极和阳极,在中间层进行碳酸盐的再生,有效避免了过多水的蒸发,且没有副产品生成,能够再生出高纯度的CO₂。


图3:在不同NaHCO₃和Na₂CO₃浓度下的CO₂再生性能。


图3a-f展示了通过在中间PSE层中流动不同浓度的NaHCO₃和Na₂CO₃溶液,该电化学反应器的电流-电压(I-V)曲线、Na⁺传输数和CO₂再生速率。实验结果显示,随着浓度降低,CO₂再生速率减少,但即使在较低浓度(0.01M)下,仍能实现较高的CO₂再生效率。图3g-i比较了PSE层与无PSE层下的电压差异,证明了PSE层显著降低了电池的电阻和电压,提升了能效。CO₂再生的能耗在NaHCO₃溶液中起始为50 kJ·mol⁻¹,随着再生速率的增加,能耗逐渐上升。


图4:电解循环模式下的Na⁺平衡分析。


图4a展示的图解类似于电池的充放电过程,NaOH溶液CO₂后转换为碳酸盐,类似于电池的放电过程,而CO₂再生步骤相当于充电,将碳酸盐再转化为NaOH,并释放高纯度CO₂。图4b展示了在电解循环模式下,Na⁺如何在反应器的不同腔室中进行再循环,维持Na⁺质量的平衡。图4c-d展示了Na⁺浓度随着电解时间的变化而逐渐减少,并在操作结束时降至约0.05M,表明Na⁺的去除效率高达90%。即使在高效Na⁺去除的条件下,Na⁺传输数依然保持在80%以上,能量消耗稳定在较低水平。


图5:PSE反应器的稳定性测试与CO₂气体收集。


图5a展示了PSE反应器在多个CO₂再生周期中的稳定性,反应器能够在100小时以上保持电化学性能不变,CO₂再生效率稳定。图5b展示了CO₂气体通过PSE层被收集的过程,展示了到的高纯度CO₂气体。图5c-d展示了测量直接空气条件下反应器的I-V曲线和Na⁺传输数,并探讨了通过调节CEM厚度、PSE层厚度和操作温度来进一步提高能效的方法。



Part.04

结论与展望


本文展示了一种高效的电化学CO₂再生系统,能够从碳酸盐和碳酸氢盐溶液中直接再生高纯度CO₂,同时再生出碱性吸收剂(NaOH)。通过模块化的多孔固体电解质(PSE)反应器设计,系统在实现高钠离子传输效率(>90%)的同时,展现了极低的能耗(50-118 kJ·molCO₂⁻¹)和长期稳定性(运行时间>100小时)。此外,该反应器能够在工业相关条件下实现显著的CO₂再生速率,达到了18 mmol·cm⁻²·h⁻¹,展示了其潜在的应用前景。相比传统的热再生技术,此系统不仅能有效减少能源消耗,还具有较高的操作灵活性,可利用可再生能源进行驱动。未来研究将集中在该系统的规模化应用,特别是在大规模碳和再生中的推广。通过优化反应器的结构设计、提高电极材料性能、提升离子交换膜的导电性以及提高操作温度,进一步提升电流密度和能效,有望大幅降低整体碳与再生的成本,推动其在实际工业中的应用。


**点击文末阅读原文可直达文献**




超分辨电化学Lab推广



联系人:许经理 17843129655(同微信)


超分辨电化学显微镜的关键作用


     当前,超高时间&空间分辨率的化学反应测量已经成为能源、材料、催化、环境与生命科学等众多领域的关注焦点。这些被测量的化学反应一般发生在界面上,但有些发生在材料体相以及溶液中。超分辨电化学显微镜(SRECM)技术对物理高分辨表征技术(微观物理信息—结构&成分)实现了不可或缺的有益补充(微观化学信息—反应动力学&速率),建立了之前难以获得的精准构效关系。

      以扫描电化学液池显微镜(SECCM)技术为例,它能够直接绘制二维材料、表面缺陷及晶界等不同位置的催化活性差异(参见Nature2023620782Nature202159367Science20173581187Nat. Mater.2021201000)。同样,扫描电化学显微镜(SECM)技术能够实现催化反应中间体、动力学速率以及催化剂活性位点密度的定量测量(参见Nat. Catal., 20214654Nat. Catal.20214615)。

      这些先进的SRECM技术为我们提供了在微观尺度理解化学反应的窗口,同时也为精确设计和优化催化剂、材料以及理解反应动力学机制提供了有力工具。



超分辨电化学Lab


      以超分辨电化学显微镜为核心,通过一站式完整解决方案&完全自主研发产品,实现化学反应的高分辨测量(也称化学高分辨)。


六大主力型号


最强型号MT-SRECM600——超分辨电化学显微镜与共聚焦拉曼显微镜联用


代表作


  • Accelerating the Discovery of Efficient High-Entropy Alloy Electrocatalysts: High-Throughput Experimentation and Data-Driven Strategies, Nano Lett. 202424, 11632.

  • Modulating the Surface Concentration and Lifetime of Active Hydrogen in Cu-Based Layered Double Hydroxides for Electrocatalytic Nitrate Reduction to Ammonia, ACS Catal. 202414, 12042.

  • Accelerating the Discovery of Oxygen Reduction Electrocatalysts: High‐Throughput Screening of Element Combinations in Pt‐Based High‐Entropy Alloys, Angew. Chem. Int. Ed. 202463,  e202407116.

  • Benchmarking the Intrinsic Activity of Transition Metal Oxides for the Oxygen Evolution Reaction with Advanced Nanoelectrodes, Angew. Chem. Int. Ed. 202463, e202404663(hot paper).

  • Thermally Enhanced Relay Electrocatalysis of Nitrate-to-Ammonia Reduction over Single-Atom-Alloy Oxides, J. Am. Chem. Soc. 2024146, 7779.




AI-高通量机器电化学家推广



联系人:许经理 17843129655(同微信)


AI-高通量机器电化学家的基本架构


      中国科学院长春应用化学研究所超分辨电化学团队自主研发“AI-高通量机器电化学家”,打造了以“AI-数据驱动”为核心的智能研究体系,集成高通量合成制备、多模态化学分析、精准效能预测和目标量产验证等功能平台,单日可合成与筛选超2000种材料,处于国际领先水平。配备的20余套自主研发科研装备,支持材料研发与应用。自推广一年来,部分仪器装备已产业化,累计销售近2000万元。


AI-高通量机器电化学家的具体设备



代表作


  • Accelerating the Discovery of Efficient High-Entropy Alloy Electrocatalysts: High-Throughput Experimentation and Data-Driven Strategies, Nano Lett. 202424, 11632.

  • Accelerating the Discovery of Oxygen Reduction Electrocatalysts: High‐Throughput Screening of Element Combinations in Pt‐Based High‐Entropy Alloys, Angew. Chem. Int. Ed. 202463,  e202407116.


仪器信息可参阅


课题组网站:

http://gw.mintech-instrument.com/

仪器信息网:

https://www.instrument.com.cn/netshow/SH117451/


超分辨电化学Lab
高端仪器装备供应商
 最新文章