Исследователи из Университета Райса разработали электрохимический реактор, который может значительно сократить потребление энергии для удаления углекислого газа непосредственно из атмосферы. Новая конструкция реактора может стать частью решения насущной проблемы воздействия выбросов на климат и биосферу, позволяя реализовать более гибкие и масштабируемые стратегии снижения выбросов углекислого газа.

Исследование, опубликованное в Nature Energy, описывает реактор как имеющий модульную трёхкамерную структуру со спроектированным пористым слоем твёрдого электролита в его ядре. Хаотянь Ван, химический и биомолекулярный инженер из Райса, чья лаборатория занимается исследованиями решений промышленной декарбонизации и преобразования и хранения энергии, сказал, что работа «представляет собой большую веху в улавливании углерода из атмосферы».

Источник: DALL-E

«Результаты наших исследований открывают возможность сделать улавливание углерода более экономически эффективным и практически осуществимым в широком спектре отраслей промышленности», — сказал Ван, автор исследования.

Устройство достигло промышленно значимых скоростей регенерации диоксида углерода из углеродсодержащих растворов. Показатели его производительности, включая долгосрочную стабильность и адаптивность к различным катодным и анодным реакциям, демонстрируют его потенциал для широкомасштабного промышленного использования.

«Одним из главных преимуществ этой технологии является её гибкость. Совместное производство водорода во время прямого захвата воздуха может привести к значительному снижению финансовых и эксплуатационных затрат на последующее производство чистого нулевого топлива или химикатов», — сказал Ван, объяснив, что она работает с различными химическими веществами и может использоваться для когенерации водорода.

Новая технология предлагает альтернативу использованию высоких температур в процессах прямого захвата воздуха, которые часто включают в себя прохождение смешанного газового потока через жидкости с высоким pH для фильтрации углекислого газа. Этот первый шаг процесса связывает атомы углерода и кислорода в молекулах газа с другими соединениями в жидкости, образуя новые связи различной степени прочности в зависимости от типа химического вещества, используемого для улавливания углекислого газа.

Следующим важным этапом процесса является извлечение углекислого газа из этих растворов, что может быть осуществлено с использованием тепла, химических реакций или электрохимических процессов.

Чживэй Фан, научный сотрудник, являющийся одним из первых авторов исследования, пояснил, что традиционные технологии прямого улавливания воздуха, как правило, используют высокотемпературные процессы для регенерации диоксида углерода из сорбента или фильтрующего диоксид углерода агента.

Сравнение термической и электрохимической регенерации CO2 в контуре улавливания углерода CO2–карбонат. a) Иллюстрация пилотного процесса улавливания CO2 с помощью карбоната кальция. b) Иллюстрация электрохимической регенерации CO2 из растворов карбоната в нашем твердоэлектролитном реакторе для полного контура улавливания углерода.
Источник: Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01654-z

«Наша работа была сосредоточена на использовании электрической энергии вместо тепловой для регенерации углекислого газа», — сказал Фанг, добавив, что этот подход имеет несколько дополнительных преимуществ, в том числе он работает при комнатной температуре, не требует дополнительных химикатов и не производит нежелательных побочных продуктов.

Типы химикатов, используемых для улавливания углекислого газа, имеют различные недостатки и преимущества. Сорбенты на основе аминов являются наиболее широко используемыми, отчасти потому, что они имеют способность образовывать более слабые связи, что означает, что требуется меньше энергии для извлечения углекислого газа из раствора. Однако они высокотоксичны и нестабильны. Несмотря на то, что базовые водные растворы с использованием сорбентов, таких как гидроксид натрия и гидроксид калия, являются более экологичной альтернативой, они требуют гораздо более высоких температур для обратного высвобождения углекислого газа.

«Наш реактор может эффективно разделять карбонатные и бикарбонатные растворы, производя щелочной абсорбент в одной камере и высокочистый диоксид углерода в отдельной камере. Этот подход оптимизирует электрические входы для эффективного управления движением ионов и массопереносом, снижая энергетические барьеры», — сказал Ван. Он выразил надежду, что исследование побудит большее количество отраслей промышленности внедрять устойчивые процессы и придаст импульс движению к будущему с нулевым уровнем выбросов.