莱斯大学汪淏田等在Nature Energy期刊报道了题为“Electrochemical regeneration of high-purity CO2 from (bi)carbonates in a porous solid electrolyte reactor for efficient carbon capture”的研究论文。 汪淏田，助理教授于2011年本科毕业于中国科学技术大学物理系，后赴美国斯坦福大学完成应用物理系博士学位（导师是崔屹教授），在博士期间，汪淏田研究出了一种独特的系统性“电化学调控”方法，可有效提高水分解和燃料电池催化剂的催化性能。博士毕业之后，直接进入哈佛大学罗兰研究所担任研究员，正式开启了自己的独立研究生涯。两年之后，他又进入莱斯大学化学与生物分子工程系任教。这期间，他不负众望，取得了非常傲人的成绩。
而他所开发出的技术，提出“绿色化工”：利用太阳能、风能等清洁电能，将工厂所排放的二氧化碳温室气体，转化为基础化工产品，包括一氧化碳、乙烯，高纯度的乙醇、甲酸液体燃料等。网站：https://wang.rice.edu/ CO2和吸附剂重生过程是碳循环处理循环过程能量消耗最大的过程，传统的捕碳技术通常需要大量的热量，而且其中包括多个步骤。有鉴于此，莱斯大学汪淏田教授、Xiao Zhang等报道一步电化学CO2重生技术，通过模块化的固体电解质反应器（PSE, porous solid electrolyte）对含碳溶液内的CO2以及碱性吸附剂进行重生。这种PSE反应器能够吸附处理空气冷凝器得到的CO2，通过阴极电解液的NaOH吸附CO2，并且在PSE层内对NaHCO3/Na2CO3溶液选择性的分解并形成高纯度的CO2气体。这种捕碳过程不会消耗任何化学品，而且不会生成副产物。这种PSE反应器具有非常高的Na+离子传输率（~90%），非常高的捕获容量（~90%），低能量消耗（50kJ molCO2-1, 1 mA cm-2，118kJ molCO2-1, 100mA cm-2），长时间稳定性（>100h）。PSE能够在1A cm-2电流密度（~18mmol cm-2 h-1）进行碳循环。 设计电化学盐溶液分解过程。电化学CO2重生的工作原理是从含碳溶液（Na2CO3和NaHCO3）中通过电化学反应重新产生CO2：这个电化学反应过程包括消耗阴极消耗质子和阳极产生质子，并且Na和碳酸根离子能够通过离子交换膜分别运动到阴极和阳极生成NaOH和H2CO3。随后，生成的H2CO3分解为CO2气体，NaOH重新用于捕获空气中的CO2。与传统的MEA器件不同（CO2捕获重生的过程包括OER和HOR反应），这种PSE器件通过电化学分解Na2SO4或NaCl生成碱和酸用于随后的捕碳和释放CO2，避免了MEA电解槽器件的气体混合问题。但是，这种电化学过程仍然面临着H2或Cl2副产物，而且需要对过量的水进行蒸发处理才能够得到浓缩的盐溶液，这个过程仍然需要耗费很多能量。 设计固体电解质层。在CEM（阳离子交换膜）层和PEM（质子交换膜）层之间设计了固体电解质层（PSE），用于CO2的高效大批量重生。这个设计中，持续的将碳酸盐/碳酸氢盐溶液压入PSE层用于CO2重生，生成的CO2能够与阳极/阴极气体分离。因此Na2CO3/NaHCO3能够在PSE层分解生成CO2，而且重新生成NaOH溶液作为CO2的吸收剂。而且，在PSE层内含有密集同时具有透水/透气能力的聚合物，能够减少传输过程的电阻（尤其有助于低盐和低能量消耗条件），促进CO2产生气泡。 图3.使用NaHCO3和Na2CO3穿过PSE层的CO2重生性能首先，该体系的关键参数，包括钠离子传输数目（tNa+），CO2吸附剂保留率，能量消耗。其他参数包括，NaOH重生溶液浓度，CO2气体富集效率，工作稳定性。在操作条件考察PSE的电化学性能。使用Pt/C作为HER阴极催化剂和阳极催化剂，电化学面积为1cm2。在~0.5V电势开启器件（1mA cm-2），发现当使用0.5M NaHCO3，在比较宽的电化学窗口，Na的保留率达到>90%。PSE电解槽的性能超过了传统的双极膜电解槽（工业级电流密度），而且当NaHCO3的浓度仅为0.1M和0.01M，tNa+仍高达~80%和70%，说明PSE能够提取碳酸盐/碳酸氢盐中大部分的Na+。PSE的优势。研究发现PSE层能够改善电压，因为能够助力离子穿过聚合物层，因此显著的降低电阻。通过改善离子导电率、降低电压，改善CO2重生过程的能量利用。PSE反应器能够应用于许多不同的阳极/阴极反应。比如能够使用HOR替代OER反应，发现HER/ORE比HER/HOR电解槽的启动电压分别高2V和1.5V，说明产生清洁H2的能耗达到40.2 kWh kgH2-1。这种HER/OER电解器件能够将电解水和捕碳集成到一个电解槽，能够降低捕碳的成本，并且制备清洁的H2。 研究实用CO2处理容量。实际上CO2重生过程类似电池的充放电循环过程，作者测试了20mL NaHCO3溶液在PSE层中循环，20mL去离子水在阴极室。测试电解过程中的Na+平衡情况，包括tNa+和CO2吸附剂保留率（CR）。在100mA cm-2电流密度，测试阳极、中间层内的Na+浓度变化情况，以及电解槽的电压稳定性。测试结果，当起始的NaHCO3浓度为1M，当中间层的浓度降低至0.05M，容量保留率达到95%。在整个充电过程中，tNa+保持80%。但是电压并不是一直稳定的，在开始的2h内，电压稳定在1.4~1.5V，随后当充电接近结束的时候电压快速增加至~4V。这个电压快速升高的过程对应于中间层Na+离子耗尽导致的，因此通过设计停止步骤过程能够保持比较好的tNa+和能量效率。 为了测试收集CO2气体过程的稳定性，测试了液体体积为400mL，电极面积为4 cm2，电流密度100mA cm-2时的稳定性。测试结果显示，起始的tNa+为~90%，中间层内的Na+逐渐在每个循环后降至70-80%。这是因为CEM层内Na+浓度逐渐增加，每圈循环过程中的捕碳达到90%。使用Na+离子传输数计算CO2气体的重生。通过实验测试重生CO2气体的流速，结果发现每圈循环过程开始时的CO2比较低，但是能够快速增加并且稳定在4.5-5.1 mL min-1，对应于75-85%的法拉第效率。这个效率比tNa+稍低，有可能因为体系的气体泄漏导致。体系在100h操作过程中基本上没有性能衰减。
总结
这项工作开发了一种电化学体系，能够有效地从（双）碳酸盐溶液中再生高纯度CO2气体和碱性CO2吸收剂。通过进行HER和HOR氧化还原电催化，PSE电解器件能够从含碳溶液中提取二氧化碳分子，形成高纯度（99%）的二氧化碳，而无需混合其他气体。实现了工业捕碳水平（高达964.5mA cm-2、18mmol cm-2 h-1或190kgCO2 m-2 d-1）。此外，验证体系具有非常高的Na+离子传输数（>90%）、非常高的容量保留率（~90%）和低能耗（碳酸氢盐在1mA cm-2和100mA cm−2分别达到50kJ molCO2−1和118kJ molCO2−1），表明其具有广阔的实际应用前景。随着电池组件和工作温度的改进，在200mA cm−2的电流密度下实现了1.42V的电池电压。将来的研究将着重扩大PSE反应器的量级，从碳酸盐溶液中大规模再生二氧化碳，并且进一步改进电池设计，获得更好的电压、电流密度和能源利用效率。
参考文献及原文链接
Zhang, X., Fang, Z., Zhu, P.et al. Electrochemical regeneration of high-purity CO2 from (bi)carbonates in a porous solid electrolyte reactor for efficient carbon capture. Nat Energy (2024)
DOI: 10.1038/s41560-024-01654-z
https://www.nature.com/articles/s41560-024-01654-z
