JACS：集成電化學(xué)CO?捕獲與能量存儲！實現(xiàn)可再生能源兼容性！

基于電化學(xué)過程的碳捕集技術(shù)，若能直接與可再生能源發(fā)電設(shè)施集成，將具有顯著優(yōu)勢。然而，可再生能源的間歇性特性對系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

在此，萊斯大學(xué)汪淏田教授等人展示了一種集成了電化學(xué)碳捕集與儲能功能的新型系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)可再生能源的間歇性波動。通過引入亞鐵氰化物/鐵氰化物氧化還原電對，將單一的CO2/吸收劑再生步驟拆分至兩個獨(dú)立的電解池中，成功實現(xiàn)了在堿性吸收劑再生過程中進(jìn)行儲能，并在CO2再生步驟中對外供能。同時，本文設(shè)計的解耦電解系統(tǒng)在10–100 mA/cm2的電流密度下，實現(xiàn)整體碳捕集的凈能耗為68.9–248.7 kJ/mol。在CO2再生步驟中，當(dāng)電流密度為10 mA/cm2時，系統(tǒng)可輸出54 kJ/mol-CO2的能量。這些結(jié)果表明，該系統(tǒng)在與間歇性能源匹配應(yīng)用方面具有良好潛力。

相關(guān)文章以“Integrated Electrochemical CO2 Capture with Energy Storage for Renewable Energy Compatibility”為題發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上！

圖文導(dǎo)讀

應(yīng)對全球CO2排放問題，電化學(xué)碳捕集技術(shù)因能耗低、效率高且易于與可再生能源集成而備受關(guān)注。其核心機(jī)制是利用電解池中的pH梯度，堿性環(huán)境再生吸收劑捕集CO2，酸性環(huán)境則釋放出高純度CO2。然而，可再生能源的間歇性導(dǎo)致碳捕集系統(tǒng)需按最大功率設(shè)計，造成資本利用效率低下。同時，增加獨(dú)立儲能雖能平抑波動，卻顯著推高成本。

為解決這一挑戰(zhàn)，本文構(gòu)建了一種新型CO2/吸收劑再生系統(tǒng)。該電化學(xué)CO2捕集系統(tǒng)通過產(chǎn)生氫氧根和質(zhì)子構(gòu)建pH梯度，采用析氫和氫氧化反應(yīng)作為氧化還原電對，選用氣體擴(kuò)散電極負(fù)載的鉑碳催化劑以實現(xiàn)高效穩(wěn)定運(yùn)行。為集成儲能功能，系統(tǒng)將吸收劑再生與CO2再生過程解耦。膜電極組件電解槽耦合析氫反應(yīng)與亞鐵氰化物氧化，在陰極產(chǎn)生KOH用于吸收劑再生并儲存能量。CO2再生電解槽則耦合氫氧化反應(yīng)與鐵氰化物還原，利用收集的氫氣和鐵氰化鉀輸出能量。該電解槽設(shè)有位于質(zhì)子交換膜和陽離子交換膜之間的多孔固體電解質(zhì)層，可同時促進(jìn)質(zhì)子和鉀離子傳輸、降低能耗，并輔助CO2成核防止氣泡堵塞。含碳酸氫鉀溶液進(jìn)入該層后，質(zhì)子與碳酸氫根中和釋放高純度CO2，鉀離子遷移至陰極完成鐵氰化物還原，實現(xiàn)能量輸出。

圖1：反應(yīng)器與工藝設(shè)計

為驗證概念并評估系統(tǒng)性能，在不同電流密度和亞鐵氰化鉀/鐵氰化鉀濃度條件下對電解槽進(jìn)行了運(yùn)行測試，通過鐵氰化物/亞鐵氰化物氧化還原電對實現(xiàn)CO2捕集與儲能功能的集成。吸收劑再生電解槽采用鉑碳催化劑，在10-100 mA/cm2電流密度下穩(wěn)定生產(chǎn)KOH，能耗為123-189 kJ/mol KOH。同時，CO2再生電解槽通過多孔固體電解質(zhì)層促進(jìn)離子傳輸，在低于50 mA/cm2時電池電壓為負(fù)值，可釋放先前儲存的能量。當(dāng)電流密度升高時，因歐姆損耗和過電位影響，電壓轉(zhuǎn)為正值。此外，系統(tǒng)對碳酸氫鹽和碳酸鹽兩種進(jìn)料均表現(xiàn)出良好適應(yīng)性，離子遷移率保持在85%以上。該設(shè)計可在可再生能源過剩時儲存能量，在電力短缺時釋放用于CO2再生，有效平抑電力波動，為提高可再生能源利用效率和實現(xiàn)連續(xù)化CO2捕集提供了可行方案。

結(jié)論展望

綜上所述，本文開發(fā)了一套由膜電極組件吸收劑再生電解槽和三腔室多孔固體電解質(zhì)再生電解槽組成的電解系統(tǒng)，用于高效捕集二氧化碳并實現(xiàn)儲能。該系統(tǒng)利用KOH溶液捕集CO2，并將其再生為純凈的CO2氣體。值得注意的是，該系統(tǒng)在吸收劑再生過程中具有儲能功能，在CO2再生過程中則能輸出能量，使其能夠與可再生能源完全兼容。實驗結(jié)果顯示，整體碳捕集能耗低至68.9至248.7 kJ/mol CO2，且在CO2再生步驟中，當(dāng)電流密度為10 mA/cm2時，可輸出54 kJ/mol-CO2的能量，并已實現(xiàn)超過500小時的穩(wěn)定運(yùn)行，這些結(jié)果凸顯了其工業(yè)應(yīng)用的潛力。未來的研究將致力于擴(kuò)大電解系統(tǒng)的規(guī)模，并探索進(jìn)一步的優(yōu)化方案以提升儲能能力和降低能耗。

文獻(xiàn)信息

Junwei Zhang,# Zhiwei Fang,# Zhou Yu, Juan Wang, and Haotian Wang*,Integrated Electrochemical CO2 Capture with Energy Storage for Renewable Energy Compatibility,J. Am. Chem. Soc., https://doi.org/10.1021/jacs.5c21714

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