深圳大学谢和平院士CO2捕集全新原理技术成果登上Nature子刊

2024年12月30日，谢和平院士团队在Nature Communications上发表了“解耦电化学CO2捕集（Continuous Decoupled Redox ElectrochemicalCO2Capture）”的研究论文，这也是2024年度谢和平院士团队的研究成果第三次登上Nature子刊！

CCUS是全球碳中和的核心技术，当前传统CO2捕集技术普遍面临着高能耗、高成本的技术瓶颈（约占CCUS总成本的60-85%），是发展CCUS最具挑战的技术难题。针对这一技术挑战，谢和平院士团队创新性的将电化学与化学反应结合，创新提出并形成了解耦电化学碳捕集全新原理与技术，成功破解了低浓度CO2吸收过程中氧气引发的副反应难题，显著提升了系统稳定性并大幅降低了电化学CO2捕集能耗，率先实现了低能耗（~1.12GJ/t-CO2，是目前传统碳捕集技术能耗的1/3~1/5）、高稳定（连续稳定运行超200 小时）、高效率（电流效率超 99%）的技术突破。同时，自主攻关研制了国际首套日处理烟气1500L的电化学CO2捕集原理样机，在模拟烟气环境下稳定运行72 小时后，无催化剂腐蚀和副反应，充分展示了该技术未来低能耗、高效率、规模化应用的潜力。

该原理技术的进一步发展有望推动形成将“可再生能源与传统化 石能源与燃料脱碳相结合”的零碳/负碳技术全新体系，未来有望推动低能耗、高稳定的碳捕集技术商业化应用，助力产业升级，形成“碳中和”全新新质生产力！

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55334-3

全文解读：

随着全球气候变化的加剧，如何有效减少大气中的CO2已成为应对气候变化的关键。碳捕集技术，特别是从工业源或大气中直接捕集并分离提纯二氧化碳，被视为减排的重要途径。然而，工业烟气或大气中的二氧化碳浓度极低，例如：燃煤电厂排放的烟气中二氧化碳浓度约10~15%，而大气中的二氧化碳浓度仅为0.04%，并且伴随着对捕集材料严重降解的高浓度的氧气（~21%）和水汽。这使得低能耗、连续稳定、低成本的CO2捕集成为一项世界性的挑战！

上个世纪三十年代以来，以美国为首的科学家们提出了采用热能驱动二氧化碳捕集的化学吸收法。该方法主要利用化学吸收剂，如：乙醇胺等，在低温下吸收低浓度的CO2以实现CO2的脱除，并通过加热解吸出高纯度的CO2，同时再生吸收剂。然而，由于不可避免的升降温操作，该类方法的捕集能耗高达~4GJ/t-CO2，严重限制了碳捕集技术的大规模推广应用。

近年来，电化学CO2捕集作为一种前景广阔的替代方案，因其能够利用可再生清洁电力，无需升降温操作而备受关注。然而，电化学碳捕集技术在实际应用中存在过程不稳定、难以大规模应用等一系列挑战。特别是在含氧气源中（如：空气或烟气），电化学系统的稳定性往往难以保证，反应过程中的氧副反应和电极退化等限制了其长期有效运行。

谢和平院士团队此次研究提出了一种全新的低能耗电化学碳捕集策略，该研究的核心创新在于将传统的单步电化学反应转化为电化学-化学相耦合的双步反应过程，通过在阴极和阳极上分别进行氢气析出反应（HER）和有机还原载体（QH2）的氧化反应，巧妙调节电解液的酸碱性，从而实现低能耗、高效的CO2捕集过程。这种“双步反应”策略彻底避免了氧气对系统的干扰，显著提升了系统的稳定性和持续性。实验结果表明，该技术能够在200小时内稳定运行，且捕集每吨二氧化碳的能耗仅为1.12 GJ，展示出其在低能耗、高效碳捕集方面的巨大潜力。

图1：氧化还原解耦的电化学碳捕集原理示意图

图2：氧化还原解耦的电化学碳捕集技术性能测试。A、200小时稳定性测试；B、不同电流密度下吸收效率；C、不同电流密度下解吸效率；D、不同电流密度下系统碳移除率；E、不同电流密度下系统捕集能耗。

值得一提的是，谢和平院士团队在该研究中还成功研制出了全球首套日处理烟气1500L的电化学碳捕集原理样机，并成功进行了放大演示，实现了每日生成高纯二氧化碳0.4千克，稳定运行超72小时的技术突破！进一步验证了该方法在放大规模减碳应用中的可行性。（已申请专利：CN 115400550 B）

图3：CO2的电化学碳捕集原理样机与性能验证。A、原理样机与工艺流程；B、稳定性测试；C、吸收塔进出口流量；D、吸收塔进出口CO2浓度；E、解吸塔进出口流量；F、解吸塔出口CO2浓度。

这一研究成果为全球减碳目标提供了全新的技术支撑，随着这项技术的不断优化和进一步发展，电化学碳捕集的应用前景将更加广阔。未来有望推动低能耗、高稳定的碳捕集技术商业化应用，助力产业升级，迈向负碳未来！