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一种对付CO的新方法2捕获

用于排气和环境空气的有效处理

南希W. Stauffer. · 5月20日,2020年 · Mitei.

简单来说

麻省理工学院研究人员已经证明了一个有望捕获二氧化碳的系统(CO2)在各种排气流 - 从发电厂到家庭炉子 - 甚至从环境空气中检索它。在其设备的核心,是由抓住CO的材料制成的电极2当材料带来负面充电并释放它时,充电消失的瞬间。在该设备中,电压的小变化激活电极以捕获CO2从通过的气流然后将其释放到随后的流中作为纯粹的co2用于工业用途或处置。测试表明,小型,简单的系统是耐用而有效的,瞄准任何水平的CO2在任何体积的排气中。研究人员计划在几年内开发试点植物。


任何气候变化缓解计划的重要组成部分正在切割二氧化碳(CO2)人类活动的排放。一些电厂现在有合作2捕获公司的捕获设备2排气。但这些系统均为化学厂的大小,花费数亿美元,需要大量的能量来运行,并且仅在含有高浓度CO的排气流上工作2。简而言之,它们不是飞机,家庭供暖系统或汽车的解决方案。

测试他们的公司的表现2- 研究装置,研究人员将其放在该压力密封盒内,用控制浓度填充其上方的空间2,并监控压力。作为co.2被捕获并释放,压力降低并增加。信誉:斯图尔特德尔斯契

让事情变得更糟,捕获公司2所有人为来源的排放可能无法解决气候问题。“即使所有这些发射者明天早上都停了下来,我们也仍然必须做一些关于CO的金额2如果我们将以与人类相关的速度恢复预先推动的大气水平,“Sahag Voskian Sm '15,Phd'19说,在空中。并开发一种可以捕获公司的技术2在空中是一个特别难的问题,部分是因为合作社2在如此低的浓度下发生。

co.2占领挑战

CO的关键问题2捕获正在寻找一个“吸附剂”,它将挑选有限公司2然后释放出来,这样吸附剂就干净了,可以重复使用,释放出来的CO2流可以被利用或发送到一个隔离地点进行长期存储。研究主要集中在以小颗粒形式存在的吸附剂材料,其表面含有捕获CO的“活性位点”2这个过程叫做吸附。当系统温度降低(或压力升高)时,CO2粘附在颗粒表面上。当温度升高(或压力降低)时,CO2被释放。但是,实现那些温度或压力“摇摆”需要相当大的能量,部分是因为它需要治疗整个混合物,而不仅仅是合作社2- 抱着吸附剂。

2015年,当时正在攻读化学工程博士学位的沃斯基安艾伦哈顿,拉尔夫兰劳工学教授化学工程和联合主任的麻省理工学院能源倡议156manbetx.com低碳能源中心用于碳捕获,利用和储存,开始仔细看看温度和压力摆动方法。“我们想知道我们是否可以使用只能使用可再生资源的可再生电力 - 而不是热或压力,”哈顿说。使用电力引出CO所需的化学反应2已经研究了几十年的捕获和转换,但哈顿和弗科基有一个关于如何工程师更有效的吸附设备的新想法。

他们的工作重点是一类称为Quinones的分子。当醌分子被迫接受额外的电子时 - 这意味着它们带来负电荷 - 它们对CO的高化学亲和力2分子和障碍任何通行证。当额外的电子从醌分子中取出时,醌的化学亲和力为CO2立即消失,分子释放捕获的CO2

其他人已经调查了各种电化学装置中的醌和电解质。在大多数情况下,该器件涉及两个电极 - 一个负面的电极,其中溶解的醌被激活为CO2捕获,以及一个积极的一个,它被停用了2释放。但是,将溶液从一个电极转移到另一个电极需要复杂的流动和泵送系统,这些系统很大,占用相当大的空间,限制了设备的使用范围。

作为替代方案,哈顿和弗科基决定使用醌作为固体电极,并通过应用哈顿调用“电压的小变化” - 电极本身的电荷激活和取消激活醌。在这样的设置中,不需要泵送流体或升高和降低温度或压力,以及CO2最终将成为固体醌电极上易于单独的附件。他们认为他们的概念“电动摇摆吸附”。

电动摆槽

为了将他们的概念付诸实践,研究人员设计了下面的两个图所示的电化学电池。为了最大化曝光,它们将两个Quinone电极(在粉红色中显示在粉红色)上,从而使其几何容量加倍2捕获。要打开和关闭Quinone,它们需要将提供电子的组件,然后将它们带回。对于该作业,它们使用单​​个二茂铁(以灰色显示),夹在两个醌电极之间,而是通过电解质膜分离器(白色)与它们隔离以防止短路。它们使用顶部的电线电路将Quinone电极连接到铁茂电极,沿途电源(由水平杆表示)。

电化学电池设计和操作这些图表显示了电动摆动电池的充电(左)和放电(右)。在充电过程中,系统上的电压使电子从二茂铁电极(灰色)通过外部电线流向醌电极(粉红色)。醌带负电荷,能捕获CO2分子。在放电过程中,电压反转,电子从醌流回二茂铁。醌不再带电,所以它释放捕获的CO2。图片礼貌的研究人员。

左图显示了所带电的系统。电源产生电压,导致电子通过电线从二端流向醌。奎尼诺现在被带来了负面的充电。当CO.2- 突出的空气或排气吹过这些电极,奎尼昂将捕获CO2分子直到其表面上的所有活性位点填满。

右图显示了放电循环。颠倒电池上电压的方向,电子从奎尼昂回到二茂的电子。奎尼昂不再带负电,因此它没有对CO的化学亲和力2。co.2分子通过吹扫气流释放并扫除系统,供随后使用或处置。奎尼诺现在被重新生成并准备捕获更多CO2

两种附加组件是成功操作的关键。首先是一种电解质,这里是液体盐,其用正极和负离子(带电粒子)润湿细胞。由于电子仅流过外部导线,因此那些带电离子必须在电池内行驶到另一个电极以关闭电路以继续操作。

第二种特殊成分 - 在图中不可见 - 是碳纳米管。在电极中,醌和二茂铁均在碳纳米管表面上作为涂层存在。纳米管既有强大且导电,则它们提供良好的支撑,并用作进出醌和二茂的电子的有效导管。

为了制造细胞,研究人员首先合成醌或二茂铁基聚合物,具体地,多醌或聚乙烯基丙烯。然后,它们通过将聚合物与溶剂中的碳纳米管组合来制备“墨水”。聚合物立即缠绕在纳米管周围,与它们连接在基本级别。

为了使电极制成,它们使用非织造碳纤维垫作为基材。它们将垫子浸入墨水中,让它缓慢地干燥,然后再次浸入,重复过程,直到它们在基板上积聚了复合材料的均匀涂层。下面的左手扫描电子显微镜(SEM)图像显示垫子,顶部附近的未涂层纤维和底部的区域,涂有醌墨水。右手SEM图像提供涂层区域的高度放大视图,具有个体,蠕虫,醌覆盖的纳米管可见。该过程的结果是多孔态网,提供了有效位点的大表面积和易于途径2分子进出。

醌的扫描电子显微镜(SEM)图像左:该SEM显微照片显示顶部的个体未涂层纤维,区域完全涂有底部的醌。右:这个高度放大的视图显示了个别醌覆盖的纳米管。图片礼貌的研究人员。

一旦研究人员制备了醌和二茂铁,它们通过将碎片层叠在正确的顺序 - 醌电极,电解质分离器,二茂铁电极,另一个分离器和第二醌电极中来组装电化学电池。最后,它们用它们的液体盐电解质润湿组装的电池。

实验结果

为了测试其系统的行为,研究人员将单个电化学电池放在定制,密封的盒内,并向电力输入连接。然后,它们循环电压并测量设备的关键响应和功能。

下图显示了10个电压变化周期的结果。上面的曲线显示了电池的电荷密度,下面的曲线显示了CO的含量2每摩尔醌吸附。同时趋势表明,当醌电极带负电时,CO的数量2吸附上升。当该费用逆转时,CO2吸附下降。

充电密度和co2随着时间的推移吸附这些图表显示了单个测试单元中的10个电荷放电循环结果。顶部面板显示放入电池的电荷密度,底部面板显示有多少CO的测量2被吸附了。峰和谷的一致对准确认输入充电导致CO2捕获,逆转该费用的极性导致CO2释放。

对于在更现实的条件下的实验中,研究人员还制作了完全捕获单元 - 开放式模块,其中少数细胞排列在另一个细胞旁边,在它们之间存在间隙2- 曝光气体可以行进,通过相邻细胞的醌表面。

在两个实验系统中,研究人员使用与CO的入口流进行测试2浓度从10%降至0.6%。前者是典型的电厂排气,后者更接近环境室内空气中的浓度。无论浓度如何,捕获效率基本恒定在约90%。(100%的效率意味着一个分子的CO2已经被捕获的每个电子转移 - 一个结果,即哈顿称之为“非常不太可能”,因为其他寄生过程可以同时进行。)该系统每吨CO的大约1千兆吉焦2被俘。其他方法在每吨1到10千兆焦点之间消耗,取决于CO2进入气体的浓度。最后,该系统非常耐用。经过7000多次充放电循环,其CO2研究人员说,捕获容量仅下降了30%——容量的损失可以通过进一步改进电极制备来克服。

他们的系统的显着性能源于Voskian称之为“奎尼昂亲和力的二进制性质2。“醌具有高亲和力或根本没有亲和力。“二进制亲和力的结果是,我们的系统应该同样有效地处理化石燃料燃烧烟气和狭窄或环境空气,”他说。

实际应用

实验结果证实,电动摆动装置应该适用于许多情况。该装置紧凑且柔韧;它在室温和正常气压下运行;它不需要大规模,昂贵的辅助设备 - 仅是直流电源。研究人员说,它的简单设计应该在许多过程中启用“即插即用”安装。

例如,它可以在密封的建筑物中改装以去除CO2。在大多数密封的建筑中,通风系统带来了新鲜的室外空气来稀释CO2集中在室内。哈顿说:“但是与外界频繁的空气交换需要大量的能量来调节进来的空气。”“移除有限公司2在室内将减少所需的交换数量。“结果可能会节省大的节能。同样,该系统可用于限制空间,其中空气交换是不可能的 - 例如,在潜艇,航天器和飞机中 - 确保占用者没有太多呼吸2

电动摆动系统也可以与可再生源(如太阳能和风电场)合作,甚至是屋顶太阳能电池板。这些来源有时会产生比电网上所需的电力更多的电力。而不是关闭它们,而不是将过量的电力用于运行CO2捕获植物。

研究人员还开发了一种在发电厂和其他设施中使用其系统的概念,以及产生含有CO的连续排气流量的设施2。在这样的网站上,对单位对并行工作。“一个人清空纯粹的公司2而另一个则捕获了更多的CO2”,Voskian解释说。“然后你交换它们。”一个由阀门组成的系统会将气流切换到刚刚排空的单元,而净化后的气体会流经整个单元,携带CO2进入一个单独的房间。

捕获的co.2可以用化学方法加工成燃料,或者简单地压缩后送到地下进行长期处理。如果净化气体也是CO2,其结果将是纯CO的稳定流2这种软饮料制造商可以用于碳酸盐饮料和农民可以用于在温室中喂养植物。事实上,而不是燃烧化石燃料来获得CO2,这些用户可以采用电动摆动单元来产生自己的合作效应2同时去除有限公司2从空中。

成本和扩展

研究人员还没有发表全面的技术经济分析,但他们将资本加上运营成本为每吨50至100美元2被俘。这个范围与使用其他不那么灵活的碳捕获系统的成本一致。制造电摇摆电池的方法也便于制造:电极可以使用标准的化学处理方法制造,并使用类似于印刷机的卷对卷过程组装。

并且系统可以根据需要进行缩放。根据Voskian的说法,它应该线性扩展:“如果您需要更多的捕获容量,则只需制造10倍电极。”他和哈顿一起以及Brian M. Baynes Phd '04,已形成一家名为Verdox,Inc的公司,他们计划通过在未来几年内开发飞行员工厂来展示易扩大扩展。


这项研究由麻省理工学院能源计划(MITEI)支持156manbetx.com种子基金通过MITEI授予和Eni s.p.a。Sahag Voskian于2016-2017年和2017-2018年担任Eni-MIT能源研究员。他现在是Verdox, Inc.的联合创始人兼首席技术官。有关这项研究的进一步资料,请浏览:

沃斯基安和t。a。哈顿。法拉第电摇摆反应吸附CO2捕获。”能源与环境科学,第12,2019号。doi.org/10.1039/c9ee02412c.


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