管晓飞课题组在直接空气碳捕集技术上提出新方案助力碳中和

tianliang

近日，上科大物质学院管晓飞课题组报道了从空气直接捕集二氧化碳的新方案，为助力碳中和提出了探讨和思路。相关研究以“Harnessing Electrochemical pH Gradient for Direct Air Capture with Hydrogen and Oxygen By-Products in a Calcium-Based Loop”为题于2021年7月在英国皇家化学学会（RSC）旗下知名学术期刊Sustainable Energy & Fuels上在线发表。管晓飞课题组本科生与研究生通力合作，为该课题的共同第一作者，管晓飞教授为通讯作者。
       自我国提出“力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”的双碳目标以来，低碳减排技术已成为工业界和学术界的关注焦点。然而，对于难以实现脱碳的工业领域，包括钢铁、建材、化工等工业，短期内大幅度降低碳排放极具挑战。直接空气碳捕集（Direct Air Capture, DAC）作为一种负碳技术，是实现碳中和的重要技术路径。
       DAC技术从环境空气中吸收捕捉稀释的CO2，获取纯CO2，可以用于生产高附加值化学品或者封存起来。DAC技术发展的关键在于研发高效且低成本的CO2吸附材料和系统。在众多CO2捕集的吸收物中，氢氧化钙（Ca(OH)2）由于高吸附性以及丰富的储量和低廉的成本被认为是有潜力实现大规模DAC的吸收材料。传统方法中，基于Ca(OH)2体系进行DAC所要克服的主要障碍包括两个方面：一是Ca(OH)2对CO2的吸收在动力学上速率较慢，二是将CaCO3高温分解重新制备原料过程能耗巨大。

         为解决上述挑战，管晓飞课题组巧妙利用电解中性水所产生的酸碱度（pH）梯度，提出了两种新颖简单有效的DAC过程。第一种DAC过程基于CaCO3-Ca(OH)2循环（图a），首先通过电解中性水将CaCO3转化为Ca(OH)2，再引入NaOH催化剂，提高Ca(OH)2对CO2的吸收速率，并且实现CaCO3的再生。第二种DAC过程基于CaCO3-Ca2+循环（图b），是一种同步实现CO2吸收和CaCO3再生的过程。在该过程中，DAC以及纯CO2、H2、O2的生产可以在一个四连反应器的不同腔室中同时互不干扰地进行，并且避免NaOH的加入以及Ca(OH)2沉淀的生成，进一步降低了材料成本、简化了流程。

       两种钙基循环方法的各反应器工作温度均在室温附近（20-55 oC），远低于传统方法中碳酸钙高温分解温度（约900 oC）。另外，在有效进行DAC获取高纯CO2的同时，也生产H2和O2副产物，其中纯CO2可以作为工业原料制备高价值化工产品或者是进行地质封存，绿H2可以应用于合成氨、金属冶炼及燃料电池等诸多领域中，纯O2可以应用于冶金、化工以及医疗方面供给呼吸等。此外，这些方法不仅可以从空气直接捕集低浓度CO2，而且也适用于从工业烟气捕获较高浓度的CO2。审稿人高度认可了该论文所提出的技术方案规模化应用的潜力。
       该研究工作由物质学院2017级本科生周琮泉、2019级硕士研究生倪纪弘和2018级本科生陈慧琪在实验和模型方面通力合作完成，三位同学为共同一作。管晓飞教授为通讯作者。上科大为唯一完成单位。该工作得到了上科大启动经费的大力支持。
      论文链接：https://doi.org/10.1039/D1SE00718A


       文章来源：上海科技大学
       管晓飞，上海科技大学。主要研究方向包括电化学工程、高温热催化和电催化、金属元素回收、和功能氧化物薄膜材料。