充電還能除碳？劍橋大學(xué)科學(xué)家開發(fā)出新型碳捕獲裝置

提起椰子殼與大海，你想到的是什么？

是馬爾代夫海邊潮濕、自由的空氣？還是夏威夷土著熱情奔放的舞蹈？

你在夢想著度假的時(shí)候，科學(xué)家們卻用它們做出了讓全人類都能更好地度假的東西。

近日，劍橋大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種低成本碳捕獲裝置，可以在充電時(shí)選擇性地捕獲二氧化碳?xì)怏w。隨后在放電的過程中，二氧化碳能夠被以可控的方式釋放并收集起來，從而回收利用或是以妥當(dāng)?shù)牡姆绞教幚淼簟?/p>

然而，這和我們度假有什么關(guān)系呢？

當(dāng)然有關(guān)系。

氣候變化、全球變暖是我們?nèi)祟愒?1世紀(jì)面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，可能導(dǎo)致各種各樣的災(zāi)害性天氣、生態(tài)災(zāi)難等等。每年，約有350億噸二氧化碳被排放到大氣中，加劇了地球的溫室效應(yīng)。據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化委員會(huì)的估計(jì)，要將全球變暖控制在工業(yè)化之前水平的1.5攝氏度，防止氣溫攀升至危險(xiǎn)范圍，我們需要在本世紀(jì)從大氣中去除1 萬億噸的二氧化碳，并在2050年全面達(dá)到碳中和目標(biāo)。

碳捕獲與封存技術(shù)

顯然，光是節(jié)能減排并不夠，于是碳捕獲與封存技術(shù)(CCS)就應(yīng)運(yùn)而生了。CCS技術(shù)主要關(guān)注諸如發(fā)電廠、煉油廠、水泥廠等碳排放大戶，在排放的源頭將二氧化碳吸收并收集起來，阻止其進(jìn)入大氣。目前發(fā)展最好的CCS是胺溶劑洗滌技術(shù)，但其過程需要消耗大量的能源，且造價(jià)高昂，其中最有代表性的挪威“登月計(jì)劃”——挪威西部霍達(dá)蘭郡Mongstad地區(qū)天然氣發(fā)電廠的大規(guī)模全面CCS項(xiàng)目，這是一個(gè)雄心勃勃的例子，卻最終因?yàn)槌杀具^高等原因于2013年9月被終止。

時(shí)至今日，CCS限于成本問題面臨著市場化難的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，仍然停留在昂貴實(shí)驗(yàn)品的范疇。而近年出現(xiàn)的超電容變壓吸附技術(shù)則是一種低成本、低能耗的碳捕獲技術(shù)，有望替代傳統(tǒng)的溶劑洗滌，并最終推動(dòng)碳捕獲與封存走向市場化、規(guī)模化的實(shí)際應(yīng)用。

碳捕獲與封存技術(shù)

超電容變壓吸附技術(shù)

超電容變壓吸附技術(shù)用到的超級(jí)電容器與我們熟知的可充電電池類似，有著儲(chǔ)電、放電的功能，兩者之間的主要區(qū)別在于它們儲(chǔ)存電荷的方式。電池主要利用化學(xué)反應(yīng)來儲(chǔ)存和釋放電荷，超級(jí)電容器則不依賴化學(xué)反應(yīng)，而是依賴于一正一負(fù)兩個(gè)電極之間電子的運(yùn)動(dòng)來儲(chǔ)能，因而老化相對電池更慢，使用壽命更長。

在充電的過程中，將超級(jí)電容器碳電極的一端置于排放的煙道廢氣中，另一端置于水基電解質(zhì)當(dāng)中，則它會(huì)選擇性地吸收氣體中的二氧化碳，并將其溶解在電解質(zhì)里面，達(dá)到碳捕獲與封存的效果，這就是超電容變壓吸附技術(shù)的基本工作原理。

超電容變壓吸附技術(shù)

椰子殼、海水與交替電流？

以往的超電容變壓吸附技術(shù)限于超級(jí)電容器較小的儲(chǔ)量，效率比較低。近日，特雷弗·賓福德在劍橋攻讀碩士學(xué)位期間領(lǐng)頭的一項(xiàng)工作中，他的團(tuán)隊(duì)嘗試通過負(fù)電壓與正電壓之間的交替以延長早先實(shí)驗(yàn)中的充電時(shí)間，而事實(shí)證明，這提高了超級(jí)電容器捕獲碳的能力。

論文的作者伊斯拉爾和格蕾絲

“我們發(fā)現(xiàn)，通過讓電極之間的電流進(jìn)行緩慢的交替，我們可以捕獲比以前多一倍的二氧化碳。”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的劍橋大學(xué)Yusuf Hamied化學(xué)系副教授弗斯博士如此說道。他還表示，這一體積只有兩便士硬幣大小的裝置在充放電過程中消耗的能量可能比當(dāng)前工業(yè)中常用的胺加熱工藝更少。

當(dāng)然，這一裝置只有在充電過程中才會(huì)由負(fù)極板吸收二氧化碳?xì)怏w，同時(shí)忽略不會(huì)導(dǎo)致氣候變化的其他成分，如氧氣、氮?dú)夂退鹊龋瑢?shí)現(xiàn)既可以捕獲碳又可以儲(chǔ)能的功能；這一過程在放電時(shí)可逆。

“它的缺陷在于，超級(jí)電容器無法儲(chǔ)存電池那么多的能量，然而就碳捕獲來說，我們會(huì)優(yōu)先考慮它的耐用性，”論文合著者之一的格蕾絲如此說道，“而最棒的是，用于制造超級(jí)電容器的材料便宜且來源豐富，比如它的電極就由碳制成，而碳來自丟棄不用的椰子殼。我們希望更多地使用不會(huì)對環(huán)境造成危害的惰性材料，且要能夠支持長期使用而不需要頻繁替換（丟棄）。舉個(gè)簡單的例子，這里的二氧化碳被溶解在一種水基電解質(zhì)中，而這種電解質(zhì)基本上可以說就是海水。”

碳捕獲裝置基本構(gòu)造

另一位論文合著者伊斯拉爾博士則為該裝置開發(fā)了一種氣體分析技術(shù)，其原理大體就是使用了一種壓力傳感器，會(huì)對這一電化學(xué)裝置中的氣體吸附變化做出響應(yīng)。他表示，由于這個(gè)研究領(lǐng)域目前還非常新，所以我們對其內(nèi)部運(yùn)作的精確機(jī)制仍然缺乏了解，而這一技術(shù)得出的結(jié)果可以幫助我們更好地理解在吸收和釋放二氧化碳時(shí)，超級(jí)電容器內(nèi)部究竟發(fā)生了什么。要實(shí)現(xiàn)這一裝置的規(guī)模化，則對這些機(jī)制、期間可能的損耗以及設(shè)備老化過程的理解是必不可少的。該研究成果論文于5月19日發(fā)表在期刊上。

弗斯

“隔空取碳”？

除了從碳排放大戶的源頭除碳，還有一些頗具前景的碳捕獲技術(shù)也值得關(guān)注，直接空氣碳捕獲就是其中之一。

這個(gè)思路很直接，大氣中的二氧化碳太多了，那就直接把它們“抓回來”，但問題是捕集的成本太高，因而被許多科學(xué)家認(rèn)為不具備可行性。這種情況一直持續(xù)到2018年夏天，哈佛大學(xué)氣候科學(xué)家大衛(wèi)·詹斯計(jì)算之后驚喜地發(fā)現(xiàn)，理論上可以將機(jī)器捕集二氧化碳的成本降低到每噸100美元以下，比原來的估計(jì)降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

不過，當(dāng)時(shí)的技術(shù)尚不成熟，盡管諸如Carbon Engineering（Keith是聯(lián)合創(chuàng)始人之一）、Climeworks等公司都在啟動(dòng)他們試驗(yàn)工廠的規(guī)模化嘗試，但要將成本降低到理論值仍然需要數(shù)年的時(shí)間，也沒有可行的商業(yè)模式可以支持這項(xiàng)成本高昂的工作。

二氧化碳捕獲基本原理

Orca

Orca

然而，人類的創(chuàng)造力是無窮的。短短幾年后的2021年9月，Climeworks就打開了位于冰島雷克雅未克郊外的Orca的開關(guān)，迄今為止最大的除碳工廠正式投入使用。

Orca的每一個(gè)模塊都通過一臺(tái)大型風(fēng)扇將空氣吸過一個(gè)過濾器，在那里材料與二氧化碳分子結(jié)合。然后，由該公司的合作伙伴Carbfix將二氧化碳與水混合，并將其泵入地下，在那里與玄武巖反應(yīng)，最終變成石頭。該設(shè)施完全依靠無碳電力運(yùn)行，能源主要來自附近的地?zé)岚l(fā)電廠。

Orca每年可捕獲4000噸二氧化碳，這個(gè)數(shù)字確實(shí)不是很大，大致只相當(dāng)于870輛汽車的年排放量。Climeworks的愿景是建立更多更大的工廠來捕獲空氣中的碳，這將有助于公司找出優(yōu)化操作的方式，推動(dòng)成本下降并實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。根據(jù)他們的預(yù)計(jì)，到本世紀(jì)30年代末，捕集每噸碳的成本將從600美元～800美元之間降低至約100美元～150美元。與此同時(shí)，前面提到的Carbon Engineering也計(jì)劃今年開始在美國西南部建設(shè)他們的工廠，每年預(yù)計(jì)可消除100萬噸二氧化碳，并與合作伙伴一道啟動(dòng)位于蘇格蘭和挪威的除碳工廠工程和設(shè)計(jì)工作。

不論是“捕風(fēng)捉碳”，還是椰子殼與海水，科技創(chuàng)新都帶來了新的希望，我們也要日日踐行低碳生活。