12月30日，謝和平院士團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上發(fā)表了“解耦電化學(xué)CO2捕集（Continuous Decoupled Redox Electrochemical CO2 Capture）”的研究論文，這也是2024年度謝和平院士團(tuán)隊(duì)的研究成果第三次登上Nature子刊。
CCUS是全球碳中和的核心技術(shù)，當(dāng)前傳統(tǒng)CO2捕集技術(shù)普遍面臨著高能耗、高成本的技術(shù)瓶頸（約占CCUS總成本的60%-85%），是發(fā)展CCUS最具挑戰(zhàn)的技術(shù)難題。針對這一技術(shù)挑戰(zhàn)，謝和平院士團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將電化學(xué)與化學(xué)反應(yīng)結(jié)合，創(chuàng)新提出并形成了解耦電化學(xué)碳捕集全新原理與技術(shù)，成功破解了低濃度CO2吸收過程中氧氣引發(fā)的副反應(yīng)難題，顯著提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性并大幅降低了電化學(xué)CO2捕集能耗，率先實(shí)現(xiàn)了低能耗（~1.12GJ/t-CO2，是目前傳統(tǒng)碳捕集技術(shù)能耗的1/3~1/5）、高穩(wěn)定（連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行超200小時）、高效率（電流效率超99%）的技術(shù)突破。同時，自主攻關(guān)研制了國際首套日處理煙氣1500L的電化學(xué)CO2捕集原理樣機(jī)，在模擬煙氣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行 72 小時后，無催化劑腐蝕和副反應(yīng)，充分展示了該技術(shù)未來低能耗、高效率、規(guī)?；瘧?yīng)用的潛力。
該原理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展有望推動形成將“可再生能源與傳統(tǒng)化 石能源與燃料脫碳相結(jié)合”的零碳/負(fù)碳技術(shù)全新體系，未來有望推動低能耗、高穩(wěn)定的碳捕集技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用，助力產(chǎn)業(yè)升級，形成“碳中和”全新新質(zhì)生產(chǎn)力！
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55334-3
全文解讀：
隨著全球氣候變化的加劇，如何有效減少大氣中的CO2已成為應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵。碳捕集技術(shù)，特別是從工業(yè)源或大氣中直接捕集并分離提純二氧化碳，被視為減排的重要途徑。然而，工業(yè)煙氣或大氣中的二氧化碳濃度極低，例如：燃煤電廠排放的煙氣中二氧化碳濃度約10~15%，而大氣中的二氧化碳濃度僅為0.04%，并且伴隨著對捕集材料嚴(yán)重降解的高濃度的氧氣（~21%）和水汽。這使得低能耗、連續(xù)穩(wěn)定、低成本的CO2捕集成為一項(xiàng)世界性的挑戰(zhàn)！
上個世紀(jì)三十年代以來，以美國為首的科學(xué)家們提出了采用熱能驅(qū)動二氧化碳捕集的化學(xué)吸收法。該方法主要利用化學(xué)吸收劑，如：乙醇胺等，在低溫下吸收低濃度的CO2以實(shí)現(xiàn)CO2的脫除，并通過加熱解吸出高純度的CO2，同時再生吸收劑。然而，由于不可避免的升降溫操作，該類方法的捕集能耗高達(dá)~4 GJ/t-CO2，嚴(yán)重限制了碳捕集技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。
近年來，電化學(xué)CO2捕集作為一種前景廣闊的替代方案，因其能夠利用可再生清潔電力，無需升降溫操作而備受關(guān)注。然而，電化學(xué)碳捕集技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在過程不穩(wěn)定、難以大規(guī)模應(yīng)用等一系列挑戰(zhàn)。特別是在含氧氣源中（如：空氣或煙氣），電化學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性往往難以保證，反應(yīng)過程中的氧副反應(yīng)和電極退化等限制了其長期有效運(yùn)行。
謝和平院士團(tuán)隊(duì)此次研究提出了一種全新的低能耗電化學(xué)碳捕集策略，該研究的核心創(chuàng)新在于將傳統(tǒng)的單步電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電化學(xué)-化學(xué)相耦合的雙步反應(yīng)過程，通過在陰極和陽極上分別進(jìn)行氫氣析出反應(yīng)（HER）和有機(jī)還原載體（QH2）的氧化反應(yīng)，巧妙調(diào)節(jié)電解液的酸堿性，從而實(shí)現(xiàn)低能耗、高效的CO2捕集過程。這種“雙步反應(yīng)”策略徹底避免了氧氣對系統(tǒng)的干擾，顯著提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)能夠在200小時內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，且捕集每噸二氧化碳的能耗僅為1.12 GJ，展示出其在低能耗、高效碳捕集方面的巨大潛力。
圖1：氧化還原解耦的電化學(xué)碳捕集原理示意圖
圖2：氧化還原解耦的電化學(xué)碳捕集技術(shù)性能測試。A、200小時穩(wěn)定性測試；B、不同電流密度下吸收效率；C、不同電流密度下解吸效率；D、不同電流密度下系統(tǒng)碳移除率；E、不同電流密度下系統(tǒng)捕集能耗。
值得一提的是，謝和平院士團(tuán)隊(duì)在該研究中還成功研制出了全球首套日處理煙氣1500L的電化學(xué)碳捕集原理樣機(jī)，并成功進(jìn)行了放大演示，實(shí)現(xiàn)了每日生成高純二氧化碳0.4千克，穩(wěn)定運(yùn)行超72小時的技術(shù)突破！進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法在放大規(guī)模減碳應(yīng)用中的可行性。（已申請專利：CN 115400550 B）
圖3：CO2的電化學(xué)碳捕集原理樣機(jī)與性能驗(yàn)證。A、原理樣機(jī)與工藝流程；B、穩(wěn)定性測試；C、吸收塔進(jìn)出口流量；D、吸收塔進(jìn)出口CO2濃度；E、解吸塔進(jìn)出口流量；F、解吸塔出口CO2濃度。
這一研究成果為全球減碳目標(biāo)提供了全新的技術(shù)支撐，隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷優(yōu)化和進(jìn)一步發(fā)展，電化學(xué)碳捕集的應(yīng)用前景將更加廣闊。未來有望推動低能耗、高穩(wěn)定的碳捕集技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用，助力產(chǎn)業(yè)升級，邁向負(fù)碳未來！
來源：中國發(fā)展網(wǎng)
