多伦多大学应用科学与工程学院的一个团队发明了一种利用电化学来提高直接空气碳捕获效率的设备。他们的替代策略旨在加速这一新兴技术的广泛采用。

“直接从空气中提取碳所需的技术已经发展了几十年，但随着政府和行业投资于实际大规模实现这一目标所需的基础设施，该领域正在加速发展，”该学院的教授大卫·辛顿(DavidSinton)说。机械和工业工程系的资深作者，在《焦耳》上发表的一篇论文概述了这项新技术。

辛顿说：“一个关键障碍是，当前的过程需要大量能量，而且本身实际上会排放大量碳。”辛顿是加拿大微流体和能源研究主席，也是正气候能源倡议的学术主任。多伦多大学的机构战略计划。

“如果我们能够提供更有效的策略，我们就可以将这项技术扩展到对气候有意义的水平。”

Sinton和他的团队正在努力改进的特定碳捕获技术被称为pH波动循环。当空气被泵入强碱性液体溶液(即pH值较高)时，就会发生这种情况。空气中的CO2与碱性溶液反应并以碳酸盐的形式被捕获。

为了再生捕获液体，添加化学物质以将碳酸盐沉淀为固体盐。在典型的工艺中，通过燃烧天然气来加热这种盐，将碳酸盐转化为CO2气体，然后将其注入地下或升级为其他碳基产品。

“如果对整个过程进行生命周期分析，您会发现每捕获一吨CO2，就会产生相当于约300至500公斤的CO2，​​”Yi(Sheldon)Xu说道。作为一名博士参与该项目。Sinton实验室的候选人和博士后研究员。

“你仍然领先，但能源投入——尤其是加热步骤——在整体碳效率方面成本很高，”现在斯坦福大学的徐说。

为了克服这一挑战，该团队转向电化学——电解槽利用电力来推动化学反应，否则这些反应不会发生。燃料电池则相反，通过化学反应发电。

该团队的主要见解是创建一种可以双向运行的单一设备——既可以作为燃料电池，也可以作为电解槽。这项创新使他们能够开辟一条再生碳捕获所需的碱性溶液的新途径。

多伦多大学工程研究人员创造了可以在电解槽模式和燃料电池模式之间快速切换的设备，提高了碳捕获所需液体溶液再生的整体效率。图片来源：泰勒·欧文

“电解槽和燃料电池都有正极和负极，”团队成员乔纳森·爱德华兹(JonathanEdwards)博士说。机械工程专业毕业。

“在我们的设备中，燃料电池的正极和电解槽是同一个。我们每秒切换操作模式，这样同一电极的表面就可以发生两种不同的反应。”

在这两个反应的第一个反应中，电解槽使用电流提取碱金属离子并再生空气捕获所需的强碱性溶液。电解槽还产生氢气，氢气被循环回到设备的燃料电池侧，在那里发生反应产生电力，然后将电力反馈回电解槽。

燃料电池产生酸性溶液，该溶液与空气捕获单元中的碳酸盐发生反应，释放CO2气体。CO2释放后，所得溶液返回电解槽，从而完成循环。

该工艺有几个优点。首先，它完全避开了能源密集型加热步骤。其次，它使用电力而不是天然气——这种电力可以从太阳能、风能或核能等低碳能源中获得。

最后，两个反应在单个电极上发生的事实减少了所谓的传质限制(反应物扩散到电极表面的速度的瓶颈)，从而增加了驱动反应所需的能量。

“当我们对我们的工艺进行生命周期分析时，我们发现每捕获一吨CO2仅产生约11千克CO2当量，”刘世杰博士说道。机械和工业工程候选人。“这比目前的热处理工艺少了大约40倍。”

该团队的研究已经引起了国际社会的关注：他们在去年举行的全球XPRIZE碳去除竞赛中进入了前60名。现在他们的工作已经发表，他们希望更多的研究人员加入他们的行列，进一步优化这一电化学途径。

“目前，我们的重点是改进捕获液并进一步降低工艺能耗，确保其由可持续且低成本的物质制成，并将其扩大到工业水平，”徐说。

“但还有其他地方，例如电极设计，可能有更多创新有待发现。我们希望看到这成为碳捕集工厂的一个可行的新平台，与现有的碳捕集工厂相比，其建造和运营的能源密集度较低。我们拥有今天。这将为我们提供一个强大的新工具来减轻气候变化的影响。”