从发电厂废气中除去二氧化碳



减少二氧化碳(合作2来自发电厂)的排放量被广泛认为是任何减缓气候变化计划的一个重要组成部分。许多研究工作集中在开发和部署碳捕获和封存(CCS)系统,以保持合作2 发电厂排放出的气息。但分离捕获的共2 和其转换回可存储可消耗最多的植物的发电能力的25%的气体。此外,合作2 气体一般被注入地下的地质构造长期储存 - 的处理方法,其安全性和可靠性仍未经证实。 

研究生阿里扎khurram通过由锂和碳电极的电化学电池加上一个特别设计的电解质泵送二氧化碳准备实验。照片:斯图尔特darsch

一个更好的办法是将捕获的合作转化2 成有用的产品,如增值燃料或化学品。为此,注意力已集中在电化学过程 - 在这种情况下,一种方法,其中的化学反应释放电能,如在电池的放电。其中理想平台进行共同的电化学转换2 似乎是水。水可以提供需要做出燃料如甲烷的质子(带正电荷的粒子)。但运行这样“含水”(基于水的)系统需要大量的能量输入,和只形成的产物的一小部分典型地是令人感兴趣的。 

betar献殷勤,机械工程助理教授,并且她在MIT组因此,已经集中在非水(不含水)的电化学反应 - 特别是那些发生内部锂 - 共2 电池。 

研成锂合2 电池处于非常初期的阶段,根据献殷勤,但在他们的兴趣正在增长,因为合作2 在随着电池放电对电极中的一个发生的化学反应用完为止。然而,合作2 是不是非常活泼。研究人员一直试图加快速度通过使用不同的电解质和电极材料。尽管这些努力,使用昂贵的金属催化剂引起电化学活性的需求一直存在。 

由于缺乏进展,英勇想尝试不同的东西。 “我们非常有兴趣尝试的问题熊带来了新的化学反应,”她说。并争取吸附剂分子的帮助,所以有效地捕获二氧化碳2 在CCS似乎是一个有前途的路要走。 

反思胺 

在CCS中使用的吸附剂分子是胺,氨的衍生物。在CCS,废气通过含胺的溶液中鼓泡,和胺化学结合所述共2中,从废气中除去它。合作2 - 现在以液体形式 - 然后从胺和转换回的气体处置分离。 

在CCS,这些最后的步骤需要高温,其使用的是一些发电厂的电输出的实现。英勇的想知道她的团队是否会转而使用电化学反应来共分离2 由胺 - 然后继续反应,使固体,共2含产品。如果是这样,处置过程中会更简单比对气体的共2。合作2 会比较密集,所以它会占用更少的空间,它摆脱不了,所以这将是更安全的。更好的是,额外的电能可以从该设备作为其排放,并形成固体材料中提取。 “视力是把一个电池状装置插入电源植物废物流螯合捕获的共2 在稳定的固体,而收获的过程中释放的能量,说:”献殷勤。 

对CCS技术的研究已产生的碳捕获过程,需要CCS系统内部发生的一个很好的理解。当合作2 添加到胺溶液中,两个物种的分子自发地结合以形成一个“加合物”的新的化学物质,其中原始分子保持基本完好。在这种情况下,加合物形成时的碳原子以共2 分子化学结合在胺分子中的氮原子。他们结合,共同2 分子被重新配置的:它从它的原始的,高度稳定的,线性形式改变为“弯曲”的形状,其负电荷 - 高反应性的形式准备好用于进一步反应。 

在她的方案中,采用电化学掰开共同提出献殷勤2胺加合物 - 右的碳 - 氮键。在该键裂解加合物将分开的两个部分:在其原始的,未反应的状态的胺,准备捕捉多种共2和弯曲,化学反应性共形式2,这可能会再与电池放电期间流动的电子和带正电的锂离子反应。该反应的结果可能是碳酸锂的形成(利2合作3),这将在碳电极上沉积。 
 
在同一时间,在碳电极上的反应应促进电子的电池放电时的流动 - 即使没有金属催化剂。 “自然会发生电池的放电,”勇敢的说。 “我们会打破加合物的方式,让我们重新合作2 吸收而采取合作2 一个稳定,坚实的形式“。 

发现的过程

在2016年,忠勇和机械工程博士生阿里扎khurram开始探索这一想法。 

他们的第一个挑战是开发一种新型电解质。锂 - 共2 电池包括两个电极 - 由锂的阳极和由碳制成的阴极 - 和电解质,一种解决方案,帮助携带带电粒子背部和随着电池被充电和放电电极之间来回。为他们的系统,他们需要做胺加捕获合作的电解质2 溶解在溶剂中 - 并且它需要促进在碳阴极的化学反应随着电池放电。 

他们开始通过测试可能的溶剂。他们混合他们的合作2-absorbing胺与一系列在电池常用的溶剂中,然后鼓泡共2 通过将得到的溶液,以查看是否共2 可以在高浓度的这种非常规的化学环境中溶解。无胺 - 溶剂溶液的表现出可观察到的变化的时候,共2 据介绍,这表明它们可能全部是可行的溶剂候选人。 

然而,对于任何电化学装置工作时,电解质必须与盐,以提供带正电的离子掺入。因为它是一个锂电池,通过增加锂盐开始,研究人员 - 与实验结果发生了巨大变化。与大多数溶剂候选人,加入盐即刻导致混合物要么以形成固体沉淀物,或成为高粘度 - 即排除出来作为可行的溶剂的结果。唯一的例外是溶剂二甲亚砜,或DMSO。即使当锂盐是目前,DMSO可以溶解胺和共2

“我们发现, - 偶然 - 基于锂盐是使反应得以进行的重要,说:”献殷勤。 “有一些有关的带正电的锂离子,与胺 - 共化学坐标2 加成物,以及那些一起物种使电化学反应性物质“。 

放电期间电池探索行为

以检查其系统的放电行为,研究人员建立由锂阳极,碳阴极,并且其特殊的电解质的电化学电池 - 为了简单起见,已经装载有共2。然后它们在碳阴极跟踪放电行为。 

因为他们所希望的,其特殊的电解质实际上促进了测试电池放电反应。 “与并入基于DMSO的电解质与锂盐和共沿着胺2,我们看到了非常高的容量和显著放电电压 - 近三年伏,说:”献殷勤。基于这些结果,他们的结论是他们的系统用作锂 - 共2 电池容量和放电电压与那些状态的最先进的锂电池气体的竞争力。 

下一步骤是,以确认该反应确实是从共分离胺2 进一步继续反应,使合作2衍生产品。找出来,研究人员使用各种工具来检查所形成的碳阴极的产品。 

在一次试验中,他们制作使用扫描电子显微镜(SEM)的后反应阴极表面的图像。立即明显呈球形构造具有500纳米的特征尺寸,在阴极的表面上规则地分布。根据英勇,放电产物所观察到的球形结构类似于Li的形状2合作3 在其它锂基电池观察到的。这些领域也不明显在反应发生之前采取的“原始”碳阴极的SEM图像。 
 
其他分析证实,沉积在阴极上的固体为Li2合作3。它仅包含合作2衍生的材料;衍生自它们的无胺的分子或制品存在。合在一起,这些数据提供了强有力的证据表明,电化学还原共同的2-loaded胺通过碳 - 氮键的选择性裂解发生。 

“胺可以被认为是对合的反应性为有效开关2,说:”献殷勤。 “这是令人兴奋的,因为胺通常在共同使用2 然后捕获可以执行两种关键功能。它可以作为吸收剂,自发联合检索2 从燃烧气体和将其结合到电解质溶液中。它可以激活合作2 用于进一步反应如果胺不在那里,将是不可能的。” 
 
未来发展方向

勇敢讲,这项工作至今仅仅代表一个验证的概念研究。 “有很多基础科学还是明白了,”她说,之前研究人员能够优化他们的系统。 

她和她的团队会继续调查这发生在电解质以及加合物,其形成的化学成分的化学反应 - 在其上进行后续的电化学的“反应物的状态”。他们还研究了盐成分的具体作用。 

此外,也有实际问题需要考虑,因为他们认为有关设备的设计。一个长期存在的问题是,固体沉积物迅速堵塞了碳阴极,就不会发生这样进一步的化学反应。在一种配置中,他们正在调查 - 可再充电电池的设计 - 每个放电 - 充电循环期间在阴极暴露。在放电过程中的反应沉积固体利2合作3和充电电梯它关闭,把锂离子和共反应期间2 返回到电解质,准备反应并产生更多的电力。然而,所捕获的合作2 然后回到在电解质其原始气态形式。密封电池将锁定该共2 里面,远离大气层 - 但只有这么多合作2 可被存储在一个给定的电池,所以使用电池的总体影响捕获共2 排放量将在这种情况下受到限制。 

研究人员正在研究第二配置 - 放电,仅设置 - 地址由决不让气态合作问题2 重新形成。 “我们是机械工程师,所以我们真正热衷于做的是发展工业过程中,你能以某种机械或化学收获固体,因为它形成,”勇敢的说。 “想象一下,如果通过机械振动,你可以轻轻地从阴极除去固体,保持明确持续的反应。”放置在排气流中,这样的系统可以连续地除去共2 排放,产生电力和也许在同一时间产生有价值的固体材料。 

勇敢和她的团队现在正在研究他们的系统的两种配置。 “我们不知道这是为应用程序更好,”她说。同时她认为,实际的锂合2 电池还需要时日,她由早期的结果,这表明,发展新型电解质预激活联合兴奋2 可能导致替代合作2 反应途径。她和她的团队已经着手一些。 

一个目标是用金属这是成本更低和更多个接地丰富,例如钠或钙,以取代锂。同 种子资金 从澳门太阳城官网(备用网站)能源问题的倡议,球队已经开始基于钙,这是没有电池应用发达的材料看一个系统。如果钙 - 共2 安装方法的效果,因为他们预测,形成的固体是碳酸钙 - 一种类型的岩石现已广泛应用于建筑行业。 

在此期间,忠勇和她的同事们很高兴,他们已经找到这似乎是一类新的反应,捕捉和封存合作2。 “合作2 转换已经几十年了广泛的研究,”她说,‘所以我们非常高兴地认为,我们可以发现有东西是不同的,为我们提供了起来探讨这个话题的新窗口。’ 

这项研究是由来自启动资金支持 机械工程麻省理工大学他明福在机械工程博士后,也促成了研究。在钙基电池工作是由美国澳门太阳城官网(备用网站)能源计划支持 种子基金计划.

这篇文章将出现在 2019春季 问题在于 能源期货,美国澳门太阳城官网(备用网站)能源倡议的杂志。