Ученым из Университета Джонса Хопкинса и исследовательского центра TotalEnergies удалось на порядок увеличить производительность электрохимического улавливания углекислого газа из атмосферного воздуха. Для этого они полностью пересмотрели принцип работы технологии. Вместо больших объемов химического раствора ученые заставили углекислый газ реагировать со щелочью непосредственно в месте контакта с воздухом. Новая система стабильно проработала более 50 часов.
Прямое улавливание углекислого газа из атмосферы считается наиболее перспективной технологией борьбы с изменением климата. Однако реализовать ее крайне сложно, так как существующие установки вынуждены пропускать через себя огромные объемы воздуха. Обычно для этого используют щелочной раствор, который распыляют в специальных воздушных контакторах. Но большая часть щелочи просто не успевает прореагировать с молекулами CO2, поэтому приходится использовать большие объемы жидкости и тратить значительное количество энергии на ее последующее восстановление.
Ученые предложили отказаться от этой схемы. Вместо готового щелочного раствора они стали получать гидроксид-ионы непосредственно внутри электрохимической ячейки. При подаче электрического тока кислород воздуха восстанавливается на специальном газодиффузионном электроде с образованием гидроксид-ионов, которые практически мгновенно связывают молекулы углекислого газа. Благодаря этому исчезает самый медленный этап процесса, представляющий собой растворение CO2 в большом объеме жидкости.
Ключевым элементом новой системы стала специальная пористая и ионопроводящая прокладка из анионообменной смолы, которую разместили между электродом и мембраной. Она работает как миниатюрный трехмерный реактор. По ее каркасу движутся гидроксид-ионы, а через поры свободно проникает углекислый газ. Такая конструкция многократно увеличивает площадь контакта реагентов и продлевает время их взаимодействия, благодаря чему практически вся произведенная щелочь успевает вступить в реакцию с CO2. Чтобы еще больше повысить эффективность, исследователи отказались от непрерывной подачи тока и перешли к коротким импульсам. Во время пауз углекислый газ успевает глубже проникнуть в пористую структуру и полностью прореагировать с гидроксид-ионами.
Не менее важной задачей было вернуть поглощенный углекислый газ обратно уже в концентрированном виде. Для этого ученые использовали органическое соединение AQDS (антрахинон-2,7-дисульфонат натрия), способное обратимо принимать и отдавать протоны. При электрохимическом окислении оно высвобождает протоны, которые подкисляют раствор и заставляют связанный CO2 выделяться в виде практически чистого газа. Затем AQDS восстанавливается в отдельной электрохимической ячейке и снова возвращается в цикл. Такая схема позволила добиться почти полного высвобождения ранее захваченного углекислого газа.
Испытания превзошли ожидания. Установка стабильно работала более 50 часов, а плотность тока достигала 10-50 мА на квадратный сантиметр, что на порядок больше, чем у большинства ранее созданных электрохимических систем прямого улавливания CO2. При определенном режиме работы она удаляла до 70% CO2 из проходящего воздушного потока, снижая его концентрацию примерно с 400 до 100 частей на миллион. Дополнительное покрытие пористой прокладки специальными ионопроводящими полимерами позволило еще больше повысить эффективность без заметного роста энергопотребления.
Чтобы оценить перспективы масштабирования технологии, ученые построили ее компьютерную модель. Она показала, что главным ограничением становится уже не сама химическая реакция, а скорость проникновения углекислого газа из воздуха в пористую структуру материала. Расчеты подтвердили, что дальнейшее увеличение пористости, уменьшение толщины ионопроводящих слоев и оптимизация внутренней структуры позволят сделать систему еще производительнее.
Технико-экономический анализ показал, что в нынешнем виде стоимость удаления одной тонны углекислого газа составляет около 750 долларов. Однако дальнейшее повышение плотности тока, использование более дешевой электроэнергии, применение недорогих углеродных материалов и замена кислородной реакции на аноде электрохимическим окислением биомассы способны снизить этот показатель до 150-200 долларов за тонну. При этом новая архитектура позволяет отказаться от громоздких воздушных контакторов.
