基于電化學過程的碳捕集技術，若能直接與可再生能源發電設施集成，將具有顯著優勢。然而，可再生能源的間歇性特性對系統的高效穩定運行構成了挑戰。

在此，萊斯大學汪淏田教授等人展示了一種集成了電化學碳捕集與儲能功能的新型系統，該系統能夠更好地適應可再生能源的間歇性波動。通過引入亞鐵氰化物/鐵氰化物氧化還原電對，將單一的CO2/吸收劑再生步驟拆分至兩個獨立的電解池中，成功實現了在堿性吸收劑再生過程中進行儲能，并在CO2再生步驟中對外供能。同時，本文設計的解耦電解系統在10–100 mA/cm2的電流密度下，實現整體碳捕集的凈能耗為68.9–248.7 kJ/mol。在CO2再生步驟中，當電流密度為10 mA/cm2時，系統可輸出54 kJ/mol-CO2的能量。這些結果表明，該系統在與間歇性能源匹配應用方面具有良好潛力。

相關文章以“Integrated Electrochemical CO2 Capture with Energy Storage for Renewable Energy Compatibility”為題發表在J. Am. Chem. Soc.上！

圖文導讀

應對全球CO2排放問題，電化學碳捕集技術因能耗低、效率高且易于與可再生能源集成而備受關注。其核心機制是利用電解池中的pH梯度，堿性環境再生吸收劑捕集CO2，酸性環境則釋放出高純度CO2。然而，可再生能源的間歇性導致碳捕集系統需按最大功率設計，造成資本利用效率低下。同時，增加獨立儲能雖能平抑波動，卻顯著推高成本。

為解決這一挑戰，本文構建了一種新型CO2/吸收劑再生系統。該電化學CO2捕集系統通過產生氫氧根和質子構建pH梯度，采用析氫和氫氧化反應作為氧化還原電對，選用氣體擴散電極負載的鉑碳催化劑以實現高效穩定運行。為集成儲能功能，系統將吸收劑再生與CO2再生過程解耦。膜電極組件電解槽耦合析氫反應與亞鐵氰化物氧化，在陰極產生KOH用于吸收劑再生并儲存能量。CO2再生電解槽則耦合氫氧化反應與鐵氰化物還原，利用收集的氫氣和鐵氰化鉀輸出能量。該電解槽設有位于質子交換膜和陽離子交換膜之間的多孔固體電解質層，可同時促進質子和鉀離子傳輸、降低能耗，并輔助CO2成核防止氣泡堵塞。含碳酸氫鉀溶液進入該層后，質子與碳酸氫根中和釋放高純度CO2，鉀離子遷移至陰極完成鐵氰化物還原，實現能量輸出。

圖1：反應器與工藝設計

為驗證概念并評估系統性能，在不同電流密度和亞鐵氰化鉀/鐵氰化鉀濃度條件下對電解槽進行了運行測試，通過鐵氰化物/亞鐵氰化物氧化還原電對實現CO2捕集與儲能功能的集成。吸收劑再生電解槽采用鉑碳催化劑，在10-100 mA/cm2電流密度下穩定生產KOH，能耗為123-189 kJ/mol KOH。同時，CO2再生電解槽通過多孔固體電解質層促進離子傳輸，在低于50 mA/cm2時電池電壓為負值，可釋放先前儲存的能量。當電流密度升高時，因歐姆損耗和過電位影響，電壓轉為正值。此外，系統對碳酸氫鹽和碳酸鹽兩種進料均表現出良好適應性，離子遷移率保持在85%以上。該設計可在可再生能源過剩時儲存能量，在電力短缺時釋放用于CO2再生，有效平抑電力波動，為提高可再生能源利用效率和實現連續化CO2捕集提供了可行方案。

結論展望

綜上所述，本文開發了一套由膜電極組件吸收劑再生電解槽和三腔室多孔固體電解質再生電解槽組成的電解系統，用于高效捕集二氧化碳并實現儲能。該系統利用KOH溶液捕集CO2，并將其再生為純凈的CO2氣體。值得注意的是，該系統在吸收劑再生過程中具有儲能功能，在CO2再生過程中則能輸出能量，使其能夠與可再生能源完全兼容。實驗結果顯示，整體碳捕集能耗低至68.9至248.7 kJ/mol CO2，且在CO2再生步驟中，當電流密度為10 mA/cm2時，可輸出54 kJ/mol-CO2的能量，并已實現超過500小時的穩定運行，這些結果凸顯了其工業應用的潛力。未來的研究將致力于擴大電解系統的規模，并探索進一步的優化方案以提升儲能能力和降低能耗。

文獻信息

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

（來源：網絡版權屬原作者 謹致謝意）