新的研究可能使电化学二氧化碳捕集和释放的效率提高六倍，并将成本降低至少20%。研究人员在碳捕集系统中添加了纳米级过滤膜，分离执行捕集和释放步骤的离子，使这两个步骤的进展更有效率。
从大气中高效去除二氧化碳通常被视为应对气候变化的关键需求，但去除二氧化碳的系统受到权衡的影响。能够有效去除二氧化碳的化合物在捕获后并不容易释放，而能够有效释放二氧化碳的化合物则在捕获方面效率较低。优化循环中的一个部分往往会使另一个部分变得更糟。
现在，麻省理工学院的研究人员使用纳米级过滤膜，添加了一个简单的中间步骤，以促进循环的两个部分。他们表示，这种新方法可能使电化学二氧化碳捕集和释放的效率提高六倍，并将成本降低至少20%。
这一新发现今天在《ACS能源快报》杂志上发表，由麻省理工学院博士生西蒙·鲁费尔、塔尔·约瑟夫和扎拉·阿梅尔，以及机械工程教授克里帕·瓦拉纳西撰写。
“我们需要从一开始就考虑规模问题，因为产生有意义的影响需要处理数十亿吨的二氧化碳，”瓦拉纳西说。“这种思维方式帮助我们找出关键瓶颈，设计出具有实质潜力的创新解决方案。这就是我们工作的动力。”
许多碳捕集系统使用称为氢氧化物的化学物质，这些物质会与二氧化碳迅速结合形成碳酸。形成的碳酸被送入一个电化学电池，在那里，碳酸与酸反应生成水并释放出二氧化碳。该过程可以将普通空气中仅约400 ppm的二氧化碳转换为100%纯二氧化碳的流，后者可以用于制造燃料或其他产品。
捕集和释放步骤都在同一个水基溶液中进行，但第一步需要高浓度氢氧化物离子的溶液，而第二步需要高浓度碳酸根离子的溶液。“你可以看到这两个步骤是如何矛盾的，”瓦拉纳西说。“这两个系统在前后循环同样的吸附剂。它们在完全相同的液体中操作。但是，由于它们需要两种不同类型的液体来实现最佳运行，因此无法在最高效的点同时运行这两个系统。”
团队的解决方案是将系统的两个部分解耦，并在中间引入第三部分。本质上，在第一步中氢氧化物大部分被化学转化为碳酸后，特殊的纳米过滤膜根据其电荷分离溶液中的离子。碳酸根离子的电荷为2，而氢氧化物离子的电荷为1。“纳米过滤能够很好地分离这两者，”鲁费尔说。
一旦分离，氢氧化物离子会被送回系统的吸附侧，而碳酸会被送往电化学释放阶段。这样，系统的两端都可以在更高效的范围内运行。瓦拉纳西解释说，在电化学释放步骤中，质子被添加到碳酸中，以促使其转化为二氧化碳和水，但如果氢氧化物离子同时存在，质子将与这些离子反应，而只产生水。
“如果你不分离这些氢氧化物和碳酸根，”鲁费尔说，“系统失败的方式是你会把质子加到氢氧化物而不是碳酸，因此你只是在生成水而不是提取二氧化碳。这就是效率损失的地方。利用纳米过滤来防止这种情况是我们之前没有意识到的。”
测试表明，纳米过滤可以以约95%的效率将碳酸与氢氧化物溶液分离，验证了在现实条件下的概念。下一步是评估这对该过程的整体效率和经济性的影响。他们创建了一个技术经济模型，结合了电化学效率、电压、吸附率、资本成本、纳米过滤效率和其他因素。
分析显示，目前的系统捕获每吨二氧化碳至少需600美元，而添加纳米过滤组件后，成本降至约450美元每吨。而且，新的系统更为稳定，即使在溶液中离子浓度变化的情况下，仍能继续高效运行。“在没有纳米过滤的旧系统中，你有点像在刀刃上操作，”鲁费尔说；如果浓度在某个方向上稍微变化，效率就会急剧下降。“但在我们的纳米过滤系统中，它起到了一种缓冲的作用，使得系统对变化的容忍度更高。你有一个更广泛的操作范围，并且可以实现显著更低的成本。”
他补充说，这种方法不仅可以应用于他们具体研究的直接空气捕集系统，还可以应用于点源系统——直接连接到排放源（例如电厂排放）——或者工艺的下一个阶段，将捕获的二氧化碳转化为有用的产品，如燃料或化学原料。他说，这些转化过程“在碳酸和氢氧化物的权衡中也是受瓶颈限制的”。
此外，瓦拉纳西表示，这项技术可能会导致更安全的碳捕集替代化学品。“许多这些吸附剂在某些时候可能是有毒的，或者对环境有害。通过使用像我们这样的系统，您可以提高反应速率，因此您可以选择初始吸收率可能不是最佳的化学品，但可以改善以确保安全。”
瓦拉纳西补充说：“这个项目很美好的一点是，我们已经能够利用市面上可得的材料来实现这一点”，并且这种系统可以轻松改装到现有的碳捕集设施中。如果成本能进一步降低到每吨约200美元，它可能会适合广泛采用。他表示：“通过不断进行的工作，我们有信心能够开发出经济上可行的技术”，最终能够生产出有价值和可售的产品。
鲁费尔指出，即使在今天，“人们仍然以超过500美元每吨的价格购买碳信用。因此，按照我们预计的成本，这在商业上已经可行，因为有一些买家愿意支付这个价格。” 但通过进一步降低价格，应该能增加考虑购买信用的买家数量。他说：“这只是一个我们能否让其广泛应用的问题。” 瓦拉纳西表示，意识到这一日益增长的市场需求，“我们的目标是为行业提供可扩展、具有成本效益和可靠的技术和系统，使其能够直接满足其脱碳目标。”
这项研究得到了壳牌国际勘探与生产公司的支持，资助通过麻省理工学院能源倡议和美国国家科学基金会，并利用了麻省理工学院纳米技术中心的设施。
