研究人员揭示了二氧化碳是如何通过单一的电化学过程捕获和转化的，在这个过程中，一个电极(如图中覆盖着气泡的电极)被用来吸引从吸附剂中释放的二氧化碳，并将其转化为碳中性产品。图片来源:John Freidah/MIT MechE

结果呢?在一个单一的电化学过程中，可以帮助减少最难脱碳的排放大型工业，如钢铁和水泥。

在遏制全球温室气体排放的努力中，麻省理工学院的科学家们正专注于碳捕获技术，以使最具挑战性的工业排放者脱碳。

钢铁、水泥和化学制造等行业尤其难以脱碳，因为它们在生产过程中固有地使用碳和化石燃料。如果能够开发技术来捕获碳排放并在生产过程中重新利用它们，可能会导致这些“难以减少”的部门的排放量大幅减少。

然而，目前的实验技术捕获和转化二氧化碳是两个独立的过程，这本身就需要大量的能量来运行。麻省理工学院的研究小组正在寻求将这两个过程结合成一个集成的、更节能的系统，这个系统可能会使用可再生能源来捕获和转化来自集中的工业来源的二氧化碳。

碳捕获和转化的最新发现

在9月5日发表在《ACS催化》杂志上的一项研究中，研究人员揭示了通过单一电化学过程捕获和转化二氧化碳的隐藏功能。该过程包括使用电极吸引从吸附剂中释放的二氧化碳，并将其转化为减少的，可重复使用的形式。

其他人也报道了类似的演示，但驱动电化学反应的机制仍不清楚。麻省理工学院的团队进行了大量的实验来确定驱动因素，并发现，最终，它归结为二氧化碳的分压。换句话说，与电极接触的纯二氧化碳越多，电极捕获和转化分子的效率就越高。

了解这个主要驱动因素，或“活性物质”，可以帮助科学家调整和优化类似的电化学系统，以便在一个综合过程中有效地捕获和转化二氧化碳。

研究结果表明，虽然这些电化学系统可能不适用于非常稀的环境(例如，直接从空气中捕获和转化碳排放)，但它们将非常适合工业过程产生的高浓度排放，特别是那些没有明显可再生替代品的环境。

“我们可以也应该转向可再生能源发电。但像水泥或钢铁生产这样的深度脱碳行业是具有挑战性的，需要更长的时间，”研究报告的作者、麻省理工学院1922届职业发展班副教授贝塔·加兰特说。“即使我们摆脱了所有的发电厂，在我们能够完全脱碳之前，我们也需要一些解决方案来处理其他行业的短期排放。这就是我们看到的最佳点，这类系统可以适合的地方。”

该研究的共同作者是麻省理工学院的主要作者、博士后格雷厄姆·莱弗里克和研究生伊丽莎白·伯恩哈特，以及马来西亚双威大学的艾莎·伊利亚尼·伊斯迈尔、Jun Hui Law、阿里夫·阿里富扎曼和穆罕默德·赫雷丁·阿鲁阿。

了解碳捕获过程

碳捕获技术旨在捕获发电厂和制造设施烟囱中的排放物或“烟气”。这主要是通过大规模改造将排放物汇集到充满“捕获”溶液的室中来完成的。“捕获”溶液是一种胺或氨基化合物的混合物，与二氧化碳发生化学结合，产生一种稳定的形式，可以从其余的烟气中分离出来。

然后，通常以化石燃料产生的蒸汽的形式施加高温，以从其胺键中释放捕获的二氧化碳。在纯净的状态下，气体可以被泵入储罐或地下，矿化，或进一步转化为化学品或燃料。

“碳捕获是一项成熟的技术，因为它的化学成分已经被发现了大约100年，但它需要非常大的装置，而且运行起来非常昂贵和耗能，”Gallant指出。“我们想要的是更加模块化和灵活的技术，可以适应更多样化的二氧化碳来源。电化学系统可以帮助解决这个问题。”

她在麻省理工学院的团队正在开发一种电化学系统，既能回收捕获的二氧化碳，又能将其转化为还原的、可用的产品。她说，这样一个集成的系统，而不是一个分离的系统，可以完全由可再生电力而不是化石燃料衍生的蒸汽提供动力。

他们的概念集中在一种电极上，这种电极可以适用于现有的碳捕获解决方案。当对电极施加电压时，电子流向二氧化碳的反应形式，并利用从水中提供的质子将其转化为产物。这使得吸附剂可以结合更多的二氧化碳，而不是用蒸汽来做同样的事情。

Gallant先前证明了这种电化学过程可以捕获二氧化碳并将其转化为固体碳酸盐形式。

“我们证明了这种电化学过程在非常早期的概念中是可行的，”她说。从那以后，还有其他研究集中在利用这一过程来生产有用的化学品和燃料。但关于这些反应是如何起作用的，人们的解释并不一致。”

“单独二氧化碳”的作用

在这项新研究中，麻省理工学院的研究小组在引擎盖下放置了一个放大镜，以梳理出驱动电化学过程的特定反应。在实验室里，他们制造了胺溶液，类似于用于从烟气中提取二氧化碳的工业捕集溶液。他们有条不紊地改变了每种溶液的各种性质，如pH值、浓度和胺的类型，然后让每种溶液通过银制成的电极——银是一种广泛用于电解研究的金属，已知能有效地将二氧化碳转化为一氧化碳。然后，他们测量了在反应结束时转化的一氧化碳的浓度，并将这个数字与他们测试的所有其他溶液的浓度进行比较，看看哪个参数对一氧化碳的产生量影响最大。

最后，他们发现最重要的并不是最初用来捕获二氧化碳的胺的类型，正如许多人所怀疑的那样。相反，它是单独的、自由漂浮的二氧化碳分子的浓度，它们避免与胺结合，但仍然存在于溶液中。这种“单独的二氧化碳”决定了最终产生的一氧化碳的浓度。

“我们发现，与胺捕获的二氧化碳相比，这种‘单独’的二氧化碳更容易发生反应，”莱弗里克说。“这告诉未来的研究人员，这个过程对工业流是可行的，高浓度的二氧化碳可以有效地捕获并转化为有用的化学物质和燃料。”

Gallant强调:“这不是一种去除技术，说明这一点很重要。”“它带来的价值在于，它允许我们在维持现有工业流程的同时，多次回收二氧化碳，减少相关排放。最终，我的梦想是电化学系统可以用来促进矿化，永久储存二氧化碳——一种真正的去除技术。这是一个长期的愿景。我们开始了解的许多科学是设计这些过程的第一步。”

参考文献:“揭示氨介导的CO2在Ag上还原为CO的活性物质”，Graham Leverick, Elizabeth M. Bernhardt, aisyah Ilyani Ismail, Jun Hui Law, A. Arifutzzaman, Mohamed Kheireddine Aroua, Betar M. Gallant*， 2023年9月5日，ACS催化。DOI: 10.1021 / acscatal.3c02500

这项研究得到了马来西亚双威大学的支持。