Реактор, разработанный в Университете Райса, может значительно снизить затраты энергии при удалении углекислого газа из атмосферы

Учёные 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, обеспечивая более гибкие и масштабируемые стратегии смягчения последствий выбросов углекислого газа.

Исследование, опубликованное в Nature Energy, описывает специализированный реактор как имеющий модульную трехкамерную структуру с тщательно спроектированным пористым слоем твердого электролита в его основе. Хаотянь Ван, химический и биомолекулярный инженер из Райса, чья лаборатория занимается исследованиями решений по промышленной декарбонизации, преобразованию и хранению энергии, сказал, что эта работа «представляет собой большую веху в улавливании углерода из атмосферы».

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

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 ее гибкость», — сказал Ван, объяснив, что она работает с различными химическими веществами и может использоваться для когенерации водорода. «Совместное производство водорода во время прямого захвата воздуха может привести к значительному снижению капитальных и эксплуатационных затрат на последующее производство чистого нулевого топлива или химикатов».

Новая технология предлагает альтернативу использованию высоких температур в процессах прямого захвата воздуха, которые часто включают в себя пропускание смешанного газового потока через жидкости с высоким показателем кислотности (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. Следующий важный шаг в процессе включает в себя извлечение углекислого газа из этих растворов, что может быть сделано с использованием тепла, химических реакций или электрохимических процессов.

Чживэй Фан, научный сотрудник Райса, который является соавтором исследования, сказал, что традиционные технологии прямого захвата воздуха, как правило, используют высокотемпературные процессы для регенерации углекислого газа из сорбента или фильтрующего углекислый газ агента.

«Наша работа была сосредоточена на использовании электрической энергии вместо тепловой для регенерации углекислого газа», — сказал Фан, 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 тенденцию 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», — сказал Ван. «Наш инновационный подход оптимизирует электрические входы для эффективного управления движением ионов и массопереносом, снижая энергетические барьеры».

Хаотянь Ван выразил надежду, что исследование мотивирует больше отраслей промышленности следовать устойчивым процессам и подпитывает импульс к будущему с нулевым уровнем выбросов. Он добавил, что этот и другие проекты в его лаборатории на протяжении многих лет отражают стратегическую направленность Университета Райса на инновации в области устойчивой энергетики.

Другими авторами исследования являются бывший научный сотрудник Университета Райса Сяо Чжан и выпускники Университета Райса Пэн Чжу и Ян Ся.

Исследование было поддержано Фондом Роберта А. Уэлча и Фондом Дэвида и Люсиль Паккард.

На фотографии: Чживэй Фан (слева) и Хаотянь Ван

Источник