新知 | 碳捕集新方式：既可以储能又可吸收二氧化碳_

撰文 | 王智镝

编辑 | 郭郭

→这是《环球零碳》的第283篇原创

全球要实现净零排放，不仅需要碳减排，还要需要在本世纪从大气中去除1万亿吨的二氧化碳。

碳捕获、利用与封存（CCUS）是应对全球气候变化的关键技术之一。CCUS主要接在大型炼油厂尾端吸附二氧化碳并储存。目前最成熟的碳捕获技术是溶剂洗涤，即使用胺类水溶剂来选择性地吸收二氧化碳。这种技术需要大量消耗能量，且造价高昂。胺类溶剂还可能腐蚀设备，被烟气中的杂质毒害，或以蒸汽形式逸出，造成环境破坏。

科学家们把目光移向了另一种更加节能与环保的碳捕获方式—超电容变压吸附技术(Supercapacitive Swing Absorption, SSA)，这是一种低成本、低能耗的碳捕获技术。有望替代传统的溶剂洗涤，并最终推动碳捕获与封存走向市场化、规模化的实际应用。

近日，剑桥大学的研究人员开发了一种基于超级电容器的低成本碳捕获装置，可以在充电时选择性地捕获二氧化碳气体。在放电的过程中，二氧化碳能够被以可控的方式释放并收集起来，从而回收利用或是以妥当的方式处理掉。

这项研究成果已于近期发表在了《纳米》（Nanoscale）杂志上。

由椰子壳和海水制成的超级电容器

超级电容器装置类似于可充电电池，大约四分之一的大小，部分由椰子壳和海水等可持续材料制成。该超级电容器由剑桥大学的研究人员设计，可以帮助以更低的成本为碳捕获和储存技术提供动力。

然而这种超级电容器不会自发吸收二氧化碳，它必须充电才能吸收二氧化碳。

这种超级电容器装置大小与一枚硬币相当，与其他可充电电池主要的区别在于二者储存电荷的方式不同。超级电容器则是通过电极之间电子的运动而达成的，并不依赖与化学反应。因此，超级电容器的降解时间更长，寿命更长。

“权衡是超级电容器不能像电池那样存储那么多的电荷，但对于像碳捕获技术，我们会优先考虑耐用性，”合著者Grace Mapstone说。“最好的部分是用于制造超级电容器的材料既便宜又丰富。碳捕集超级电容器的电极由碳制成，而碳来自废弃的椰子壳。

在充电的过程中，将超级电容器碳电极的一端置于排放的烟道废气中，另一端置于水基电解质当中，则它会选择性地吸收气体中的二氧化碳，并将其溶解在电解质里面（这里是海水），达到碳捕获与封存的效果，这就是SSA的基本工作原理。

领导这项研究的Alexander Forse博士说：“我们发现，通过缓慢交替板之间的电流，我们可以捕获相较之前两倍的二氧化碳量。” 这一装置只有在充电过程中才会由负极板吸收二氧化碳气体，同时忽略不会导致气候变化的其他成分，如氧气、氮气和水等等，实现既可以捕获碳又可以储能的功能；这一过程在放电时可逆。

图说：正负充电时二氧化碳的运动方向

来源：[1]

研究合著者Grace Mapstone表示：“我们希望使用惰性材料，这些材料不会对环境造成危害，并且能够减少处理材料的工艺。”

研究人员表示，这个研究领域是非常新的，所以超级电容器内部工作的精确机制仍然未知。

调整充电方案提高吸附量

当电极充电时，负极吸收二氧化碳气体，而忽略其他排放物，如氧气、氮气和水，这些排放物不会导致气候变化。使用这种方法，超级电容器可以捕获碳并存储能量。

这项研究表明，正负充电方案的简单改变可以显著提高超级电容吸附能力。将正极暴露在气体中充电会增加吸附容量并降低能耗，而“切换”这一形式会进一步增加容量。

研究人员采用了配备气压传感器的电化学电池来监测超级电容器对二氧化碳的电化学吸附能力。通常在用暴露在气体中的负极给超级电容器充电，我将其称为负充电。其中正极暴露在气体中，称为（正充电）。

图说：监测气体压力的超级电容摆动吸附装置的示意图

来源：[1]

在负充电的实验中，研究人员发现超级电容器的碳捕获是可逆的。当电压由0V降低到-1V时，超级电容器能够吸附二氧化碳；当电压由-1V升回0V时，吸附的二氧化碳被释放出来。

当进行正充电时，超级电容器能够吸附75±2mmol二氧化碳，并且能耗与负充电相比降低了一倍。这是由于在正充电时二氧化碳的吸附和释放与负充电相反。但是无论绝对电压如何变化，降低电池电压总是会吸附二氧化碳，而增加电压总是会将其释放。

这使 SSA 进一步向商业可行性所需的性能迈进。它还为 CO2捕获机制带来了新的见解。

同时，相关研究者为该装置开发了一种气体分析技术。该技术使用压力传感器，对电化学装置中气体吸附的变化作出响应。这种技术有助于研究超级电容器内部吸收和释放二氧化碳的精确机制。在超级电容器推广之前，了解内部机制、可能产生的损耗和装置的老化都是至关重要的。

该项目得到了UKRI未来领导者奖学金和剑桥大学Yusuf Hamied化学系的支持。

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参考资料：

[1]https://doi.org/10.17863/CAM.83307

[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/05/220519115322.htm

[3]https://new.qq.com/omn/20220529/20220529A06LYG00.html

[4]https://new.qq.com/omn/20220531/20220531A0DHKG00.html

[5]Binford, Trevor B., et al. "Enhancing the capacity of supercapacitive swing adsorption CO2 capture by tuning charging protocols." Nanoscale (2022).