新型电化学系统从空气中捕获99%的二氧化碳

在全球变暖的大背景下，主要国家都制定了碳达峰、碳中和的目标，严格控制二氧化碳排放，降低二氧化碳浓度。目前能够采取的主要措施就是清洁能源替代、节能降耗和二氧化碳捕集利用和封存。这些措施能有效减少二氧化碳排放，但是如果想要进一步降低全球二氧化碳浓度，最有效的手段还是要从大气中直接捕集二氧化碳然后封存。

如果将来温室气体导致的全球气温上升造成更严重的后果，那么直接从空气中捕获二氧化碳并封存必将成为主要的减少二氧化碳浓度的方法。当前，已经有许多研究机构在研究从空气中捕集二氧化碳的方法，但肯定能耗、成本都很高。不过随着新能源、新材料技术的进步，直接从空气中捕获二氧化碳的成本会不断降低到可以接受的程度，这也将成为主要的控制二氧化碳的方式之一。

一种新型电化学系统可以从空气中捕获99%的二氧化碳

近日，特拉华大学的工程师们已经展示了一种方法，使用由氢气驱动的新型电化学系统有效地从空气中捕获99%的二氧化碳。这是捕获二氧化碳技术的一个重大进展，并可能使更多环境友好型燃料电池接近市场。

由特拉华大学教授严玉山领导的研究小组于2月3日在《自然-能源》上报告了他们的方法。

改变燃料电池效率的技术

燃料电池的工作原理是将燃料化学能直接转化为电能。它们可以被用于交通领域，如混合动力或零排放车辆。

Henry Belin du Pont化学和生物分子工程系主任严玉山在一段时间内一直致力于改进氢氧交换膜（HEM）燃料电池，这是一种经济和环保的替代目前使用的传统酸基燃料电池的方法。

但是HEM燃料电池有一个缺点，使它们无法上路–它们对空气中的二氧化碳极为敏感。这一缺陷迅速降低了燃料电池的性能和效率达20%，使燃料电池不比汽油发动机好。15年来，严玉山的研究小组一直在寻找解决这一二氧化碳难题的方法。

几年前，研究人员意识到这个缺点实际上可能是一个解决方案–用于清除二氧化碳。化学和生物分子工程研究助理教授、论文合著者Brian Setzler说：“一旦我们深入研究这一机制，我们发现燃料电池正在捕捉进入它们的每一点二氧化碳，而且它们真的很擅长将其分离到另一边。”

虽然这对燃料电池来说不是好事，但研究小组知道，如果他们能在燃料电池堆上游的一个独立设备中利用这种内置的“自我净化”过程，他们就能把它变成一个二氧化碳分离器。

“事实证明，我们的方法是非常有效的。如果我们有正确的设计和正确的配置，我们可以一次性捕获空气中99%的二氧化碳，”严玉山说。

那么，他们是如何做到的呢？他们找到了一种方法，将电化学技术的电源嵌入分离膜内。这种方法涉及到设备的内部短路。

“这很有风险，但我们设法通过氢气来控制这个短路的燃料电池。通过使用这种内部电短路的膜，我们能够摆脱笨重的部件，如双极板、集电器或通常在燃料电池堆中发现的任何电线，”博士生和该论文的主要作者林石说。

现在，研究小组有了一个电化学装置，它看起来像一个用于分离气体的普通过滤膜，但又能像一个更复杂的电化学系统一样从空气中持续收集微量的二氧化碳。

实际上，将该装置的电线嵌入膜内创造了一条捷径，使二氧化碳颗粒更容易从一侧移动到另一侧。它还使研究小组能够建造一个紧凑的螺旋形模块，在较小的体积内拥有较大的表面积。换句话说，他们现在有了一个更小的封装，能够一次过滤更多的空气，使其在燃料电池应用中既有效又具有成本效益。同时，更少的组件意味着更少的成本，更重要的是，提供了一种为市场轻松扩大规模的方法。

研究小组的结果显示，一个尺寸为2×2英寸的电化学电池可以持续去除空气中约99%的二氧化碳。研究人员说，一个大约12盎司汽水罐大小的早期原型螺旋装置能够每分钟过滤10升空气，并清除98%的二氧化碳。

Setzer说，按照汽车应用的比例，该装置将大约有一加仑牛奶那么大，但该装置也可用于清除其他地方的二氧化碳。例如，特拉华大学的专利技术可以使航天器或潜艇中更轻、更有效的二氧化碳清除装置成为可能，因为在这些地方持续过滤是至关重要的。

Setzler说：“我们有一些长期路线图的想法，可以真正帮助我们达到目的。”

据研究人员说，由于该电化学系统是由氢气驱动的，随着氢气经济的发展，这种电化学装置也可用于飞机和建筑物，在那里空气再循环被视为一种节能措施。