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捕集并利用二氧化碳（CO₂）是减少温室气体排放的有效途径。然而，传统的CO₂捕集方法依赖于热或真空来回收CO₂，这不仅能耗高昂且效率低下。本文提出了一种集成CO₂捕集和转换为合成气的闭环系统，通过电化学方法避免了能量密集的纯化过程，为实现可持续的碳捕集与利用提供了新方案。
成果简介
研究团队展示了一个将CO₂从模拟烟气中捕集并转化为CO和H₂混合气体的集成系统，称为“碳酸氢盐电解器系统”。通过引入CO₂捕集促进剂甘氨酸，系统实现了30小时连续捕集与转换，捕集效率为30%，法拉第效率为30%。该系统通过电化学生成的氢离子促进碳酸氢盐溶液的CO₂释放，无需传统的加热或压缩步骤，显著提高了能效。
研究亮点
闭环集成CO₂捕集与利用
首次实现了闭环的CO₂捕集和电化学转换系统，无需高能耗的CO₂纯化步骤，大幅降低了整体能耗。促进剂提高捕集效率
通过引入甘氨酸作为CO₂捕集促进剂，显著提高了CO₂捕集速率，同时对转换效率的影响最小。高效合成气生产
系统在100 mA/cm²的电流密度下运行，产物合成气的H₂/CO比为1.7:1，适合合成柴油等工业应用。工业规模潜力
系统利用商业化K₂CO₃溶液进行捕集，结合碳酸氢盐电解器的模块化设计，展示了良好的规模化应用潜力。
配图精析
图1：展示了两种CO₂捕集与利用路径的示意图。传统路径需要能量密集的CO₂回收步骤，而新型碳酸氢盐电解路径则通过电化学方式直接生成CO₂，避免了能耗较高的纯化过程。
图2：集成CO₂捕集与转换系统的照片和示意图。系统包含CO₂吸收塔、碳酸氢盐电解器和气液分离器，展示了CO₂捕集、转化和产物气体分离的流程。
图3：甘氨酸和哌嗪对集成系统性能的影响。图中展示了在加入捕集促进剂后，系统的pH变化、CO₂生成速率以及CO的法拉第效率，甘氨酸表现出较好的促进效果。
图4：模拟烟气流速对集成系统性能的影响。不同流速条件下，系统的CO₂捕集效率表现出显著差异，较低流速下（50 sccm）捕集效率达到30%。
图5：烟气中CO₂浓度对集成系统性能的影响。图中比较了20%和10% CO₂浓度下系统的性能，显示出低浓度CO₂下的捕集效率有所提高，但法拉第效率有所下降。
图6：系统中CO₂捕集与释放之间的动态平衡关系。高pH有利于CO₂捕集，而低pH有利于CO的生成，图中展示了两者之间的权衡及其对整体系统性能的影响。
展望
本研究通过构建集成CO₂捕集和转换系统，成功展示了碳酸氢盐电解器在连续捕集和转化CO₂方面的潜力。未来的研究将进一步优化捕集促进剂和系统参数，以实现更高效的CO₂捕集与利用，并推动该技术向工业化发展。
文献信息
期刊：Joule
DOI：10.1016/j.joule.2024.10.010
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.10.010
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