JACS：集成电化学CO₂捕获与能量存储！实现可再生能源兼容性！

基于电化学过程的碳捕集技术，若能直接与可再生能源发电设施集成，将具有显著优势。然而，可再生能源的间歇性特性对系统的高效稳定运行构成了挑战。

在此，莱斯大学汪淏田教授等人展示了一种集成了电化学碳捕集与储能功能的新型系统，该系统能够更好地适应可再生能源的间歇性波动。通过引入亚铁氰化物/铁氰化物氧化还原电对，将单一的CO2/吸收剂再生步骤拆分至两个独立的电解池中，成功实现了在碱性吸收剂再生过程中进行储能，并在CO2再生步骤中对外供能。同时，本文设计的解耦电解系统在10–100 mA/cm2的电流密度下，实现整体碳捕集的净能耗为68.9–248.7 kJ/mol。在CO2再生步骤中，当电流密度为10 mA/cm2时，系统可输出54 kJ/mol-CO2的能量。这些结果表明，该系统在与间歇性能源匹配应用方面具有良好潜力。

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图文导读

应对全球CO2排放问题，电化学碳捕集技术因能耗低、效率高且易于与可再生能源集成而备受关注。其核心机制是利用电解池中的pH梯度，碱性环境再生吸收剂捕集CO2，酸性环境则释放出高纯度CO2。然而，可再生能源的间歇性导致碳捕集系统需按最大功率设计，造成资本利用效率低下。同时，增加独立储能虽能平抑波动，却显著推高成本。

为解决这一挑战，本文构建了一种新型CO2/吸收剂再生系统。该电化学CO2捕集系统通过产生氢氧根和质子构建pH梯度，采用析氢和氢氧化反应作为氧化还原电对，选用气体扩散电极负载的铂碳催化剂以实现高效稳定运行。为集成储能功能，系统将吸收剂再生与CO2再生过程解耦。膜电极组件电解槽耦合析氢反应与亚铁氰化物氧化，在阴极产生KOH用于吸收剂再生并储存能量。CO2再生电解槽则耦合氢氧化反应与铁氰化物还原，利用收集的氢气和铁氰化钾输出能量。该电解槽设有位于质子交换膜和阳离子交换膜之间的多孔固体电解质层，可同时促进质子和钾离子传输、降低能耗，并辅助CO2成核防止气泡堵塞。含碳酸氢钾溶液进入该层后，质子与碳酸氢根中和释放高纯度CO2，钾离子迁移至阴极完成铁氰化物还原，实现能量输出。

图1：反应器与工艺设计

为验证概念并评估系统性能，在不同电流密度和亚铁氰化钾/铁氰化钾浓度条件下对电解槽进行了运行测试，通过铁氰化物/亚铁氰化物氧化还原电对实现CO2捕集与储能功能的集成。吸收剂再生电解槽采用铂碳催化剂，在10-100 mA/cm2电流密度下稳定生产KOH，能耗为123-189 kJ/mol KOH。同时，CO2再生电解槽通过多孔固体电解质层促进离子传输，在低于50 mA/cm2时电池电压为负值，可释放先前储存的能量。当电流密度升高时，因欧姆损耗和过电位影响，电压转为正值。此外，系统对碳酸氢盐和碳酸盐两种进料均表现出良好适应性，离子迁移率保持在85%以上。该设计可在可再生能源过剩时储存能量，在电力短缺时释放用于CO2再生，有效平抑电力波动，为提高可再生能源利用效率和实现连续化CO2捕集提供了可行方案。

结论展望

综上所述，本文开发了一套由膜电极组件吸收剂再生电解槽和三腔室多孔固体电解质再生电解槽组成的电解系统，用于高效捕集二氧化碳并实现储能。该系统利用KOH溶液捕集CO2，并将其再生为纯净的CO2气体。值得注意的是，该系统在吸收剂再生过程中具有储能功能，在CO2再生过程中则能输出能量，使其能够与可再生能源完全兼容。实验结果显示，整体碳捕集能耗低至68.9至248.7 kJ/mol CO2，且在CO2再生步骤中，当电流密度为10 mA/cm2时，可输出54 kJ/mol-CO2的能量，并已实现超过500小时的稳定运行，这些结果凸显了其工业应用的潜力。未来的研究将致力于扩大电解系统的规模，并探索进一步的优化方案以提升储能能力和降低能耗。

文献信息

Junwei Zhang,# Zhiwei Fang,# Zhou Yu, Juan Wang, and Haotian Wang*,Integrated Electrochemical CO2 Capture with Energy Storage for Renewable Energy Compatibility,J. Am. Chem. Soc., https://doi.org/10.1021/jacs.5c21714

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