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在全球气候变化和温室气体排放问题日益严峻的背景下，碳捕集与封存（CCS）技术成为了应对这一挑战的重要手段。近期，美国莱斯大学的研究团队开发了一种创新的电化学反应器，这一技术有望显著降低直接空气捕获（DAC）的能耗，为碳捕集技术的发展带来了新的突破。
技术突破
电化学反应器的设计
莱斯大学团队开发的这款电化学反应器采用了模块化的三室结构，其中心部分是一层特别设计的多孔固体电解质。这种设计不仅提高了碳捕获的经济性和实用性，而且具有高度的灵活性，可以与多种化学物质配合使用，并支持在直接空气捕获过程中同时生产氢气，显著降低了制造净零排放燃料或化学品的成本。
反应器原型
工业级应用的潜力
该装置已在工业级含碳溶液中实现了高效的二氧化碳再生率，长期稳定性证明了其在大规模工业应用中的巨大潜力。新方法的一个主要优势在于其高度的灵活性，可以与多种化学物质配合使用，并支持在直接空气捕获过程中同时生产氢气，这显著降低了制造净零排放燃料或化学品的成本。
电能替代热能的优势
传统上，直接空气捕获技术依赖于高温过程从吸附材料或二氧化碳过滤材料中提取二氧化碳，这通常涉及到将混合气体通过高pH值的液体以去除酸性气体二氧化碳。新方法侧重于使用电能而非热能来实现二氧化碳再生，这带来了几个额外的优点：可以在常温下操作；不需要额外添加化学物质；避免了生成不必要的副产品。
CO2-碳酸盐碳捕集循环中热回收与电化学回收的比较
技术细节
电化学阻抗谱（EIS）和电化学扫描微电极
通过电化学阻抗谱（EIS）和电化学扫描微电极等表征手段，研究人员发现了Pt/C电极在氢氧反应（HOR）过程中的电导率与反应条件之间的关系，从而揭示了催化剂在不同操作条件下的反应机理。这些分析结果表明，随着氢气流量和反应温度的变化，电极的电导率和反应速率呈现出显著的相关性，进而为催化剂的优化提供了重要的理论依据。
催化剂性能衰减研究
采用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）对Pt/C催化剂的微观形貌进行了深入研究，得到了催化剂颗粒在循环使用过程中的聚集和形态变化。这些表征结果显示，催化剂颗粒的聚集不仅减少了其活性表面积，还导致了催化效率的显著下降。
化学状态变化分析
通过X射线光电子能谱（XPS）分析了Pt/C电极表面的化学状态变化，得到了反应过程中Pt的电子状态及其与支持材料之间的相互作用。XPS谱图的对比分析表明，在不同反应条件下，Pt的电子结构发生了变化，这影响了催化反应的选择性与活性。
中间产物分析
利用核磁共振（NMR）和离子色谱（IC）等技术对反应过程中生成的中间产物进行了定量和定性分析。通过对中间产物的浓度变化监测，明确了反应体系中NaHCO3浓度对CO2释放效率的影响。结果显示，适当增加NaHCO3的浓度能够显著提高CO2的释放效率。
结论
莱斯大学团队的这项研究不仅为碳捕集与封存技术的商业化应用提供了新的思路，而且推动了应对全球气候变化的科技进步。新型电化学反应器的成功开发，标志着我们在实现更加环保和经济的碳捕获解决方案方面迈出了重要的一步。
原文地址：https://www.nature.com/articles/s41560-024-01654-z
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