2024年12月30日，謝和平院士團隊在Nature Communications上發表了“解耦電化學CO2捕集（Continuous Decoupled Redox ElectrochemicalCO2Capture）”的研究論文，這也是2024年度謝和平院士團隊的研究成果第三次登上Nature子刊！
CCUS是全球碳中和的核心技術，當前傳統CO2捕集技術普遍面臨著高能耗、高成本的技術瓶頸（約占CCUS總成本的60-85%），是發展CCUS最具挑戰的技術難題。針對這一技術挑戰，謝和平院士團隊創新性的將電化學與化學反應結合，創新提出并形成了解耦電化學碳捕集全新原理與技術，成功破解了低濃度CO2吸收過程中氧氣引發的副反應難題，顯著提升了系統穩定性并大幅降低了電化學CO2捕集能耗，率先實現了低能耗（~1.12GJ/t-CO2，是目前傳統碳捕集技術能耗的1/3~1/5）、高穩定（連續穩定運行超200 小時）、高效率（電流效率超 99%）的技術突破。同時，自主攻關研制了國際首套日處理煙氣1500L的電化學CO2捕集原理樣機，在模擬煙氣環境下穩定運行72 小時后，無催化劑腐蝕和副反應，充分展示了該技術未來低能耗、高效率、規模化應用的潛力。
該原理技術的進一步發展有望推動形成將“可再生能源與傳統化 石能源與燃料脫碳相結合”的零碳/負碳技術全新體系，未來有望推動低能耗、高穩定的碳捕集技術商業化應用，助力產業升級，形成“碳中和”全新新質生產力！
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55334-3
全文解讀：
隨著全球氣候變化的加劇，如何有效減少大氣中的CO2已成為應對氣候變化的關鍵。碳捕集技術，特別是從工業源或大氣中直接捕集并分離提純二氧化碳，被視為減排的重要途徑。然而，工業煙氣或大氣中的二氧化碳濃度極低，例如：燃煤電廠排放的煙氣中二氧化碳濃度約10~15%，而大氣中的二氧化碳濃度僅為0.04%，并且伴隨著對捕集材料嚴重降解的高濃度的氧氣（~21%）和水汽。這使得低能耗、連續穩定、低成本的CO2捕集成為一項世界性的挑戰！
上個世紀三十年代以來，以美國為首的科學家們提出了采用熱能驅動二氧化碳捕集的化學吸收法。該方法主要利用化學吸收劑，如：乙醇胺等，在低溫下吸收低濃度的CO2以實現CO2的脫除，并通過加熱解吸出高純度的CO2，同時再生吸收劑。然而，由于不可避免的升降溫操作，該類方法的捕集能耗高達~4GJ/t-CO2，嚴重限制了碳捕集技術的大規模推廣應用。
近年來，電化學CO2捕集作為一種前景廣闊的替代方案，因其能夠利用可再生清潔電力，無需升降溫操作而備受關注。然而，電化學碳捕集技術在實際應用中存在過程不穩定、難以大規模應用等一系列挑戰。特別是在含氧氣源中（如：空氣或煙氣），電化學系統的穩定性往往難以保證，反應過程中的氧副反應和電極退化等限制了其長期有效運行。
謝和平院士團隊此次研究提出了一種全新的低能耗電化學碳捕集策略，該研究的核心創新在于將傳統的單步電化學反應轉化為電化學-化學相耦合的雙步反應過程，通過在陰極和陽極上分別進行氫氣析出反應（HER）和有機還原載體（QH2）的氧化反應，巧妙調節電解液的酸堿性，從而實現低能耗、高效的CO2捕集過程。這種“雙步反應”策略徹底避免了氧氣對系統的干擾，顯著提升了系統的穩定性和持續性。實驗結果表明，該技術能夠在200小時內穩定運行，且捕集每噸二氧化碳的能耗僅為1.12 GJ，展示出其在低能耗、高效碳捕集方面的巨大潛力。
圖1：氧化還原解耦的電化學碳捕集原理示意圖
圖2：氧化還原解耦的電化學碳捕集技術性能測試。A、200小時穩定性測試；B、不同電流密度下吸收效率；C、不同電流密度下解吸效率；D、不同電流密度下系統碳移除率；E、不同電流密度下系統捕集能耗。
值得一提的是，謝和平院士團隊在該研究中還成功研制出了全球首套日處理煙氣1500L的電化學碳捕集原理樣機，并成功進行了放大演示，實現了每日生成高純二氧化碳0.4千克，穩定運行超72小時的技術突破！進一步驗證了該方法在放大規模減碳應用中的可行性。（已申請專利：CN 115400550 B）
圖3：CO2的電化學碳捕集原理樣機與性能驗證。A、原理樣機與工藝流程；B、穩定性測試；C、吸收塔進出口流量；D、吸收塔進出口CO2濃度；E、解吸塔進出口流量；F、解吸塔出口CO2濃度。
這一研究成果為全球減碳目標提供了全新的技術支撐，隨著這項技術的不斷優化和進一步發展，電化學碳捕集的應用前景將更加廣闊。未來有望推動低能耗、高穩定的碳捕集技術商業化應用，助力產業升級，邁向負碳未來！
