院士团队最新Joule：电催化策略，巧妙分离空气与二氧化碳！

成果简介

二氧化碳(CO₂)的直接空气捕获(DAC)可能有助于减轻过去和抵消难以减少的未来排放。然而，DAC捕获液的再生需要高温和热能输入，其排放会减少其净环境效益。

多伦多大学David Sinton院士团队等人提出了一种低温交替电催化再生碱性捕集液的电化学方法。在单个电极上同时进行氧化和还原反应，在电解槽和燃料电池模式之间循环，减轻了碱性氢氧化物和卤化氢再生过程中的膜形成和损失。在100 mA cm^-2下，能量输入为6.4 GJ/tCO₂，排放强度为~11 kg CO₂e/tCO₂，可以有效捕获和释放CO₂。

相关工作以《Regeneration of direct air CO₂ capture liquid via alternating electrocatalysis》为题在《Joule》上发表论文。这也是David Sinton院士在《Joule》上发表的第6篇论文。

以可再生电力为能源输入的电化学碳捕获技术，还可参考：莱斯大学的汪淏田团队不久前在《Nature》上所发表的《Continuous carbon capture in an electrochemical solid-electrolyte reactor》为题的论文。详情可见：汪淏田，最新Nature！

图文导读

图1. 一种低能耗、低碳排放的捕集后溶液再生方法

如果捕获后的溶液被酸化学中和，串联电解质-燃料电池对可以再生相关的盐溶液(图1B)。电解槽再生碱性捕获液，而燃料电池再生酸性溶液以释放二氧化碳。迄今为止，这种方法依赖于氧(O₂)析出反应(OER)来产生质子。OER是一个四电子过程，动力学比卤化物的氧化慢得多，而卤化物的氧化是一个双电子过程，也能够形成强酸以释放二氧化碳，如盐酸、氢溴酸或氢碘酸(HI)。其中，在卤素中，以碘(I₂)为基础的系统将需要最低的电解槽功率(图1C)。

图2. 在捕集液再生过程中I₂的交替电催化过程

本文提出了一种电催化策略，通过在单个电极上同时进行循环I₂氧化还原反应，可以有效地再生DAC捕获液(图2A)。碘化锂(LiI)电解质将I^–与锂金属阳离子结合。在这里使用锂，因为它显示单价态，具有小的离子半径、以及低碳酸盐溶解度。

用HI中和碳酸锂(Li₂CO₃)沉淀物产生LiI电解质。电解槽将LiI电解质转化为氢氧化锂(LiOH)捕获液和I₂。然后，燃料电池用电化学方法使I₂氢化。在电解槽阴极产生的氢(H₂)在燃料电池阳极氧化，产生电能来抵消电解能量的需求。两个H₂电极反应都有非常快的动力学，使净能量输入最小。

在双反应器串联配置中进行了连续I₂电合成。当电流密度在10到200 mA cm^-2之间工作时，电解槽所需的电压随着电流密度的增加而大幅增加(图2B)。燃料电池的两个半反应(即I₂还原和H₂氧化)的反应物可用性都受到电解槽I₂/H₂产率的影响。因此，在一定的电解槽电流下，改变燃料电池的电流，以确定燃料电池的最大输出功率(即电流和电压的乘积)(图2C)。

由于认识到局部保留碘化物中间体的挑战，在此开发了一种交替电催化(AE)方法。当系统在电解槽(t1，图2D)和燃料电池模式(t2，图2D)之间循环时，当系统极性切换到燃料电池模式时，电解槽运行期间积聚在电极上的I₂立即可转换为HI。这种方法可以通过限制能量来提高能量效率

I₂膜的生长促进了电解槽的运行，同时限制了I₂扩散到电解质中，从而改善了燃料电池的运行。为了使用交替方法进行I₂电合成，开发了一个单三电极反应器，作为电解槽或燃料电池。通过采用催化剂包覆膜(CCM)和气体扩散电极，优化了电解槽阴极和燃料电池阳极的氢气析出和氢气氧化性能。

图3. 完全由电力驱动的DAC完整过程

在基于再生系统的集成DAC系统中，大气空气将被驱动与碱性捕集液LiOH接触，形成固体Li₂CO₃(图3A)。在CO₂释放器中，用HI酸中和Li₂CO₃沉淀物，产生纯CO₂和LiI水溶液电解质的气态流(图3B)。实验证实，~98%的LiOH捕集液捕获的CO₂可以在CO₂释放器中回收。然后，在CO₂释放器中产生的LiI电解质作为AE的输入，在AE中再生为捕集液和酸进行中和(图3C)。

图4. 嵌入AE的、用于捕集液再生的DAC系统的性能

本文通过结合电解槽能量输入和燃料电池能量输出的单循环实验(图2)，估算了在实施AE再生策略时从空气中捕获的每吨二氧化碳的总能量消耗(图4A)。与双反应器配置相比，AE在100 mA cm^-2时的能耗较低，仅为6.4 GJ/tCO₂，显著降低了DAC能耗。随着所有反应过电位的增加，能量需求随电流密度的增加而略有增加。其中，电解能量占主导地位，在100 mA cm^-2时占净能量输入的95%，而燃料电池能够回收11%的净能量输入(图4B)。

文献信息

Regeneration of direct air CO₂ capture liquid via alternating electrocatalysis，Joule，2023.

https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.07.011

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/01/bb26ceba91/

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