上海科技大学管晓飞课题组ChemSusChem：电化学pH梯度驱动的闭环且无沉淀的二氧化碳捕集技术

本文来源于ChemSusChem，欢迎浏览！

论文信息

研究背景

近几十年来，随着人类活动加剧和能源需求的不断攀升，大气中的二氧化碳浓度显著增长。根据联合国政府间气候变化专门委员会发布的报告，若温室气体排放维持在高水平，预计到2100年，大气中二氧化碳浓度可能飙升至936 ppm，这将导致全球平均地表温度相较于工业化前上升2.6至4.8摄氏度。作为减缓气候变化和遏制全球变暖的关键负排放技术之一，二氧化碳捕集已引起全球广泛关注。尽管当前已有多种二氧化碳捕集技术，但是它们普遍面临高成本与高能耗的问题，阻碍了它们的大规模应用。因此，为了有效应对气候变化，迫切需要研究和开发经济高效且环保的二氧化碳捕集新工艺。

文章概述

近日，上海科技大学物质科学与技术学院的2022级博士研究生周佳寅和管晓飞教授报道了一种由电解和机械泵驱动的闭环的电化学流动池，用于从空气或烟气中捕获二氧化碳。通过电解水产生的pH梯度能够用于实现二氧化碳的捕集与释放。该流动池的另一个新颖之处是避免了碳酸钙等沉淀的形成，从而有望最大限度地减少材料损耗和工艺成本。在不连续的直接空气捕获过程中，进行了6个吸收循环，每个循环持续12小时。从第3个循环起，输出空气中的二氧化碳浓度保持在极低的水平。在连续的直接空气捕获过程中，实现了36小时的稳定二氧化碳吸收与释放，且捕获效率超过93%。在模拟烟气实验中，高浓度二氧化碳被有效吸收，相应的能量效率达17.21%。此外，研究人员还进一步讨论了优化该电化学流动池装置的多种策略。例如，可以交替调整泵的开关状态，维持电解池阴阳两极之间较大的pH梯度。对于大规模二氧化碳捕集装置的设计，可以将实验室规模的单室吸收器替换为冷却塔或填料板气体接触器。另外，还可以采用模块化设计，将整个系统细分为多个独立的电解池，用以实现长时间和大规模的二氧化碳捕获与释放。

图文导读

图1 二氧化碳捕获技术的概念图。

图2 中性水电解、二氧化碳捕获及二氧化碳释放的流程图。

图3 在不连续空气捕获过程的6个循环中记录的（a）输出空气中的二氧化碳浓度变化（b）二氧化碳捕获室中溶液的pH值变化。

图4 连续空气捕获实验结果。（a）二氧化碳捕集率；（b）二氧化碳捕获室中溶液的pH值变化；（c）二氧化碳释放腔室中溶液的pH值变化；（d）阳极腔室和阴极腔室中溶液的pH值变化。

图5 从模拟烟气中捕集二氧化碳的实验结果。

结论

该团队报道了一种由电解和机械泵驱动的闭环且无沉淀的二氧化碳捕集的概念及验证演示。中性水电解产生的电化学pH梯度是捕获和释放二氧化碳的关键因素。小型实验室装置给出的结果表明，从空气中捕获二氧化碳的过程展现了高效的性能，从烟气中捕获二氧化碳也能够稳定运行数小时。尽管此过程仍需进一步研究和完善，但是该电化学方法展现了从空气或烟气中大规模捕获二氧化碳、缓解气候变化的巨大潜力。

期刊简介

《ChemSusChem》发表以化学为核心、在可持续性研究各个领域具有影响力的科研成果，包括绿色合成与化学、能源储存与转化以及材料升级回收等方向。该期刊涵盖范围广泛，涉及可再生能源与材料、碳捕获与转化、氢能、环境化学、可持续催化以及绿色化学的所有方面。

点击投稿