Дешевое и менее энергоемкое повторное использование захваченного углерода

Исследователи экспериментальной настройки в лаборатории Марты Хатцелл использовали для тестирования своего нового электрохимического реактора на захват углерода.Кредит: Кэндлер Хоббс

Инженеры из Georgia Tech разработали процесс, который преобразует углекислый газ, удаленный из воздуха в полезное сырье, которое можно использовать для новых пластмасс, химических веществ или топлива.

Их подход резко снижает стоимость и энергию, необходимые для этих систем прямого захвата воздуха (DAC), помогая улучшить экономику процесса, который, по словам исследователей, будут иметь решающее значение для решения проблемы изменения климата.

Ключом является новый вид катализатора и электрохимической конструкции реактора, который может быть легко интегрирован в существующие системы ЦАП для получения полезного газа окиси углерода (CO).По словам ведущего исследователя Марты Хатцелл и ее команды и ее команды, это один из самых эффективных таких дизайнов, когда -либо описанных в научной литературе.Они опубликовали детали в области энергетики и экологических наук.

«Все исследовательские проекты моей команды сосредоточены на декарбонизации, о которой я забочусь из -за изменения климата, но этот, в частности, имеет возможность оказать влияние и быстрее двигаться к коммерциализации», - сказал Хатцелл, доцент в Джордже У.Школа машиностроения Вудраффа и Школа химического и биомолекулярного инженера.«Вот почему публикация нашей работы важна, чтобы помочь внедрить эту технологию в реальный мир».

Как правило, процесс ЦАП включает вытягивание углекислого газа из воздуха с использованием какого -то химического или материала, который хочет захватить молекулы CO2.Чтобы выпустить этот захваченный углерод - например, хранить его под землей, или обработать его для продуктивного повторного использования, - требует значительной энергии и сложных дорогих систем.Попутно эти системы обычно теряют часть CO2, часто используя только половину углерода, который они удаляли из воздуха или меньше.

Команда Хатцелла сосредоточена на улучшении подхода, в котором используется жидкий щелочный раствор под названием KOH для захвата углерода в системе ЦАП.KOH превращает газовый CO2 в бикарбонаты, которые в конечном итоге должны быть снова разделены.

Технологический дизайн Джорджии избегает этого дорогостоящего, энергоемкого шага вообще.

Работая с лабораторией Jihun OH в Корее передовой институт науки и технологий, исследователи создали новый катализатор на основе никеля и соединили его с сборкой биполярного мембранного электрода.Их настройка использует электричество для извлечения CO2 из бикарбонатов прямо рядом с катализатором, который затем превращает его в газ угарного газа.

Это секретный соус системы, разработанной Хатцеллом, постдокторским ученым Хахьоном Сонг и доктора философии.Студенты Карлос Фернандес и Po-Wei Huang: он сочетает в себе два шага в одном.

«Мы захватываем CO2 в карбонаты, что является спонтанным процессом и не требует много энергии. И мы избавляемся от процесса десорбции и всех этих расходов на энергию», - сказал Фернандес.«Мы экономим около 90% энергии в процессе захвата и около 50% капитальных затрат».

Их настройка также чрезвычайно эффективна в использовании всего CO2, который проходит через реактор, согласно Song.Это намного лучше, чем системы, которые поддерживают углекислый газ в качестве газа на протяжении всего процесса разделения.

«Мы вдвое эффективны. Наша эффективность использования CO2 составляет почти 70%, но газофазная система составляет 35%»,-сказал Сонг.«Максимальное использование CO2 в системах на основе газа теоретически 50%. Но в нашем случае наша максимальная эффективность составляет 100%».

В другом важном прогрессе катализатор команды хорошо работает в кислой среде, которая была ограничением существующих систем с использованием биполярных мембран.Когда слой реактора с катализатором становится кислым, возникает еще один химический процесс, называемый реакцией эволюции водорода, которая конкурирует с реакцией, которая уменьшает CO2 до CO. Новый катализатор на основе никеля подавляет это интерференцию.

Производство угарного газа из CO2, вычищенного от воздуха, является сложным, интенсивным процессом.Но если это сделано экономически, полученное сырье может быть связано с существующими химическими процессами и превращено в новые полезные продукты.

Создание этих соединений будет следующим на тарелке команды.CO может стать основой для пластмасс, важных промышленных химических веществ, таких как этилен, и, возможно, даже одностороннее топливо.

«Вот почему мы выбрали Ко», - сказал Фернандес.«Другие продукты труднее сделать, и CO является хорошей основой для любого химического вещества углерода. Вы можете перейти от CO практически на все через термохимические процессы».

Больше информации: Hakhyeon Song et al., Интегрированные углеродные захваты и производство Co из бикарбонатов посредством электролиза биполярной мембраны, энергии и экологической науки (2024).Doi: 10.1039/d4ee00048j