新系統示意圖。空氣從右上角進入電池室（灰色矩形結構），電極吸收二氧化碳，不含二氧化碳的氣流進入另一個腔室。隨後，電池室中積聚的二氧化碳被衝入右側的單獨存儲室。在新系統中，兩步工藝可實現連續操作。
含有二氧化碳（紅色）的空氣流（藍色）從右側進入系統，當它流經電池薄板時，二氧化碳吸附於通電極板上，剩餘的清潔氣體繼續流過極板，從左側流出。
二氧化碳是導致全球變暖的元兇之一。雖然工程師們已經開發了很多去除二氧化碳的裝置，但它們大多隻對高濃度二氧化碳有效。據techxplore.com網站10月25日報道，美國麻省理工學院博士後研究人員Sahag Voskian和化學工程教授T. Alan Hatton等製造了一種去除二氧化碳的新裝置。它的有效性幾乎不受氣體濃度的影響，甚至在400ppm濃度下適用。新裝置有可能成為人類對抗氣候變化的重要武器。
Voskian等在《能源與環境科學》雜誌發佈了相關研究成果。從本質上講，新裝置是一塊大型專用電池。當它充電時，每一塊電極的表面都會發生電化學反應。電極表面塗覆有基於碳納米管的聚蒽醌化合物。電極對二氧化碳有“天然的親和力，”即使二氧化碳的濃度很低，電極材料也能很容易得與原料氣中的二氧化碳分子發生反應。當電池放電時，不僅可以釋放出純淨的濃縮二氧化碳，還能為整個系統提供部分電能。通過簡單地充放電循環，設備就可以在常溫常壓條件下實現吸收、釋放二氧化碳的連續操作。Voskian解釋說：“與其他碳捕獲/碳吸收技術相比，新技術的最大優勢在於吸附劑對二氧化碳具有二元親和力。”換句話講，即電極材料的性質可根據電池的充放電狀態，決定自身對二氧化碳是“高親和力”，還是“無親和力”。新技術簡化了化學處理步驟，並且不涉及高熱量/壓力差。
在部分軟飲裝瓶廠中，廠家會通過燃燒化石燃料來產生起泡用的二氧化碳。類似的，有的農民會在溫室中燃燒天然氣產生二氧化碳，以促進植物的生長。Voskian表示，新系統可以在這類場景中消除用戶對化石燃料的需求，並且在使用過程中去除空氣中的溫室氣體。此外，用戶也可以將二氧化碳流壓縮後注入地下長期存儲，或者用化學方式將其轉化為燃料。
Hatton教授補充說：“我們一直在努力用新技術解決環境問題。新裝置的分離、釋放過程不需要熱源、壓力源和額外添加化學物質，它展示了電化學方法在二氧化碳捕集方面的潛力。”在實驗室條件下，新系統可以承受至少7000次充放電循環過程，效率損失約30%。研究人員預計，將循環次數提高到2~5萬次並非難事。Voskian介紹說，通過技術調整，他們可以大批量生產電極材料，並且每平方米電極材料的成本僅約數十美元。
與現有碳捕獲技術相比，新系統的能源效率非常高——每處理一噸二氧化碳消耗的能量僅前者的10分之一（最高值）。新技術出色的性價比讓研究者們充滿信心，為推動新技術的商業化，他們已經成立了一家名為Verdox的公司，並希望在未來幾年內籌建中試規模的工廠。Voskian展望說：“想處理更多的二氧化碳？沒問題，你只需要製造更多的電極材料就行了。”
編譯：雷鑫宇
審稿：三水
期刊編號：1754-5692
原文鏈接：
https://techxplore.com/news/2019-10-carbon-dioxide-air.html
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