CO2的集成捕获和转化

兰陵王

研究简介：二氧化碳（CO2）的捕获和利用可以减少温室气体排放，同时取代化石燃料衍生的碳产品。然而，这些过程通常需要高纯度的CO2，从捕获溶液中回收，然后进入CO2转化反应器。传统的CO2捕获方法依赖于热或真空来回收CO2，这是能源密集和成本高昂的。碳酸氢盐电解槽通过电化学产生H+，将富含碳酸盐（生物）的活性碳溶液转化为原位CO2，从而解决了这一难题。然后，通过电化学将CO2转化为含碳化合物。这一过程的副产物是OH-，可循环用于进一步捕获CO2。通过酸碱化学反应形成CO2，碳酸氢盐电解槽消除了与生成纯CO2流相关的能量损失。迄今为止，碳酸氢盐电解槽使用实验室制备的碳酸氢盐饱和溶液进行电解，这并不能代表实际CO2吸收器的流出物。因此，目前尚不清楚在CO2还原反应过程中产生的OH-能否再生足够的碱度，以实现连续的CO2捕获和转化。在这项研究中，我们展示了一种闭环电化学系统，该系统可从模拟烟气中捕获30%的CO2，并将捕获的30%的CO2转化为更高价值的产品。我们还发现，甘氨酸可增强CO2捕获的动力学，而对转化影响极小。

兰陵王

研究背景：通过电解将二氧化碳（CO2）还原为更高价值的产品，从而有机会通过从废弃的二氧化碳中创造新的收入来源来抵消碳捕获的高成本。实现这一目标的一个可行途径是将直接空气捕获与能够将CO2(g)转化为增值产品（例如CO）的电解槽相结合。这种CO2捕获和利用涉及图1中所示的四个步骤：（1）CO2与碱性捕获溶液反应，形成富含碳酸盐（生物）的水性“活性碳溶液”；（2）从活性碳溶液中解吸CO2，使捕获溶液恢复为不含CO2的形式；(3)对纯化的CO2加压；(4)在电解槽中通过电化学反应将CO2气体转化为CO产品。CO2吸收器、再生器和压缩机是资本和能源密集型设备，因此需要以百万吨级规模连续运行，以证明前期投资的合理性。电化学反应器具有更高的模块化程度，可以根据廉价的电力供应增加或减少产量。由于CO2捕获和转化在规模和操作要求方面存在差异，CO2捕获工艺尚未与CO2还原反应（CO2RR）电解槽集成，以实现大规模连续闭环运行。为了应对这一挑战，我们设计了一类电化学反应器，该反应器可将活性碳溶液（而非加压的CO2原料）一步转化为CO2RR产品（参见图1中的“碳酸氢盐电解槽”）。我们计算得出，使用碳酸氢盐电解槽的碳捕获与利用（CCU）途径比使用气体进料CO2电解槽的CCU途径更节能，后者将废弃的CO2转化为CO（详见表S1和注释S1中的详细能源评估）。这些碳酸氢盐电解槽通过电化学产生H+，将（生物）碳酸盐原位转化为CO2（本文中称为“i-CO2”），从而实现活性碳捕集。在阴极/膜界面，i-CO2（公式1）的电化学驱动形成使碳酸氢盐电解槽能够消除与纯CO2气流的热生成相关的能量损失（>100 kJ mol-1）。这种i-CO2随后在电催化剂表面被还原，生成含碳化合物和OH-（公式2）。OH-可以被回收利用，以捕获更多的CO2（公式3）。
迄今为止，大多数报道的碳酸氢盐电解槽都使用实验室制备的饱和碳酸氢根离子溶液（因为CO2与OH-反应生成HCO3-；公式3）。然而，工业CO2吸收器中液体流出物中的OH-并未完全消耗，这些饱和碳酸氢盐溶液并不能代表实际CO2吸收器（如CO2吸收塔）的流出物。因此，我们尚不清楚在碳酸氢盐电解槽内进行CO2RR（方程式2）时产生的OH-能否再生足够的碱度，以实现等速连续的CO2捕获和释放。我们着手将CO2吸收器与碳酸氢盐电解槽整合，形成CO2捕获和转化集成系统（图2），并测试该系统的持续运行。

兰陵王

研究要点：在这里，我们建造了一个实验室规模的集成式CO2捕获和转化系统，该系统结合了填充床CO2吸收塔、碳酸氢盐电解槽和气液分离器，能够连续捕获和转化模拟烟气（20% CO2；80% N2）中的CO2，将其转化为CO。我们使用了K2CO3水溶液作为吸收液，这种溶液在商业上用于本菲尔德工艺，其中含有甘氨酸等促进剂。这些促进剂能够分别调节吸收塔和碳酸氢盐电解槽中CO2的捕获和转化动态速率。在这项研究中，我们使用了CO2吸收塔的实际流出物，这使我们能够量化直接连接到碳酸氢盐电解槽的CO2吸收塔的效率。我们在此报告了一系列实验条件，在这些条件下，集成的CO2捕获和转化系统从模拟烟气（50 sccm，20% CO2；80% N2）中捕获CO2，并在30 mA cm-2的电流密度下将捕获的CO2转化为CO，其法拉第效率（FECO）为30%，持续3 0小时。我们还报告了30%的CO2捕获效率，此处定义为捕获的CO2（n碳，输出）的摩尔流率与进入吸收器的CO2（n碳，输入）的摩尔流率之比（见图2，更多细节如下），以及集成系统的整体CO2利用效率为8%。这一概念验证为闭环式集成CO2捕获和转化提供了重要的起点，其中CO2从捕获溶液中通过电化学活化。