新系统示意图。空气从右上角进入电池室（灰色矩形结构），电极吸收二氧化碳，不含二氧化碳的气流进入另一个腔室。随后，电池室中积聚的二氧化碳被冲入右侧的单独存储室。在新系统中，两步工艺可实现连续操作。
含有二氧化碳（红色）的空气流（蓝色）从右侧进入系统，当它流经电池薄板时，二氧化碳吸附于通电极板上，剩余的清洁气体继续流过极板，从左侧流出。
二氧化碳是导致全球变暖的元凶之一。虽然工程师们已经开发了很多去除二氧化碳的装置，但它们大多只对高浓度二氧化碳有效。据techxplore.com网站10月25日报道，美国麻省理工学院博士后研究人员Sahag Voskian和化学工程教授T. Alan Hatton等制造了一种去除二氧化碳的新装置。它的有效性几乎不受气体浓度的影响，甚至在400ppm浓度下适用。新装置有可能成为人类对抗气候变化的重要武器。
Voskian等在《能源与环境科学》杂志发布了相关研究成果。从本质上讲，新装置是一块大型专用电池。当它充电时，每一块电极的表面都会发生电化学反应。电极表面涂覆有基于碳纳米管的聚蒽醌化合物。电极对二氧化碳有“天然的亲和力，”即使二氧化碳的浓度很低，电极材料也能很容易得与原料气中的二氧化碳分子发生反应。当电池放电时，不仅可以释放出纯净的浓缩二氧化碳，还能为整个系统提供部分电能。通过简单地充放电循环，设备就可以在常温常压条件下实现吸收、释放二氧化碳的连续操作。Voskian解释说：“与其他碳捕获/碳吸收技术相比，新技术的最大优势在于吸附剂对二氧化碳具有二元亲和力。”换句话讲，即电极材料的性质可根据电池的充放电状态，决定自身对二氧化碳是“高亲和力”，还是“无亲和力”。新技术简化了化学处理步骤，并且不涉及高热量/压力差。
在部分软饮装瓶厂中，厂家会通过燃烧化石燃料来产生起泡用的二氧化碳。类似的，有的农民会在温室中燃烧天然气产生二氧化碳，以促进植物的生长。Voskian表示，新系统可以在这类场景中消除用户对化石燃料的需求，并且在使用过程中去除空气中的温室气体。此外，用户也可以将二氧化碳流压缩后注入地下长期存储，或者用化学方式将其转化为燃料。
Hatton教授补充说：“我们一直在努力用新技术解决环境问题。新装置的分离、释放过程不需要热源、压力源和额外添加化学物质，它展示了电化学方法在二氧化碳捕集方面的潜力。”在实验室条件下，新系统可以承受至少7000次充放电循环过程，效率损失约30%。研究人员预计，将循环次数提高到2~5万次并非难事。Voskian介绍说，通过技术调整，他们可以大批量生产电极材料，并且每平方米电极材料的成本仅约数十美元。
与现有碳捕获技术相比，新系统的能源效率非常高——每处理一吨二氧化碳消耗的能量仅前者的10分之一（最高值）。新技术出色的性价比让研究者们充满信心，为推动新技术的商业化，他们已经成立了一家名为Verdox的公司，并希望在未来几年内筹建中试规模的工厂。Voskian展望说：“想处理更多的二氧化碳？没问题，你只需要制造更多的电极材料就行了。”
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编译：雷鑫宇 审稿：三水 责编：张梦
期刊来源：《能源与环境科学》期刊编号：1754-5692
原文链接：https://techxplore.com/news/2019-10-carbon-dioxide-air.html
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