Исследователи сообщают о революционной технологии удаления 99% углекислого газа из воздуха

Инженеры Университета Делавэра (UD) продемонстрировали способ эффективного улавливания 99% углекислого газа из воздуха с помощью новой электрохимической системы, работающей на водороде.
Это значительный шаг вперед в области улавливания углекислого газа, который может приблизить к рынку более экологичные топливные элементы

Исследовательская группа под руководством профессора Университета штата Нью-Йорк Юшань Янь сообщила о своем методе в журнале Nature Energy в четверг, 3 февраля..

Революционная технология повышения эффективности топливных элементов
Топливные элементы работают путем преобразования химической энергии топлива непосредственно в электричество. Их можно использовать в транспорте для таких вещей, как гибридные автомобили или автомобили с нулевым уровнем выбросов.

Ян, Генри Белин дю Пон, заведующий кафедрой химической и биомолекулярной инженерии в UD, уже некоторое время работает над улучшением топливных элементов с мембраной гидроксидного обмена (HEM), экономичной и экологически чистой альтернативы традиционным топливным элементам на кислотной основе, используемым сегодня.

Но у топливных элементов HEM есть недостаток, из-за которого они не используются на дорогах, — они чрезвычайно чувствительны к углекислому газу в воздухе.

Этот дефект быстро снижает производительность и эффективность топливного элемента до 20%, что делает топливный элемент не лучше бензинового двигателя. Исследовательская группа Яна уже более 15 лет ищет обходной путь для решения этой загадки с углекислым газом.

Несколько лет назад исследователи поняли, что этот недостаток на самом деле может быть решением проблемы удаления углекислого газа.

«Как только мы углубились в механизм, мы поняли, что топливные элементы улавливают почти каждую частицу углекислого газа, попадающую в них, и они действительно хорошо отделяют его с другой стороны», — сказал Брайан Сетцлер, доцент по исследованиям в США. химическая и биомолекулярная инженерия и соавтор статьи.

Хотя это не очень хорошо для топливного элемента, команда знала, что если они смогут использовать этот встроенный процесс «самоочистки» в отдельном устройстве перед блоком топливных элементов, они смогут превратить его в сепаратор углекислого газа.

«Оказывается, наш подход очень эффективен. Мы можем улавливать 99% углекислого газа из воздуха за один проход, если у нас есть правильный дизайн и правильная конфигурация», — сказал Ян.

Итак, как они это сделали?

Они нашли способ встроить источник питания для электрохимической технологии внутрь разделительной мембраны. Подход включал внутреннее короткое замыкание устройства.

«Это рискованно, но нам удалось управлять этим короткозамкнутым топливным элементом с помощью водорода. А с помощью этой внутренней электрически короткозамкнутой мембраны мы смогли избавиться от громоздких компонентов, таких как биполярные пластины, токосъемники или любые электрические провода», — сказал Линь Ши, докторант группы Янь и ведущий автор статьи.

Теперь у исследовательской группы было электрохимическое устройство, которое выглядело как обычная фильтрующая мембрана, предназначенная для отделения газов, но с возможностью непрерывно улавливать мельчайшие количества углекислого газа из воздуха, как более сложная электрохимическая система.

По сути, встраивание проводов устройства внутрь мембраны создало кратчайший путь, который облегчил перемещение частиц углекислого газа с одной стороны на другую. Это также позволило команде построить компактный спиральный модуль с большой площадью поверхности в небольшом объеме. Другими словами, теперь они имеют меньшую упаковку, способную фильтровать большее количество воздуха за раз, что делает их эффективными и экономичными для приложений с топливными элементами. Между тем, меньшее количество компонентов означает меньшую стоимость и, что более важно, обеспечивает возможность легкого масштабирования для рынка.

Результаты исследовательской группы показали, что электрохимическая ячейка размером 2 дюйма на 2 дюйма может непрерывно удалять около 99% углекислого газа, содержащегося в воздухе, проходящем со скоростью примерно два литра в минуту. Исследователи заявили, что ранний прототип спирального устройства размером с банку газировки способен фильтровать 10 литров воздуха в минуту и ​​очищать 98% углекислого газа.

По словам Сетцлера, масштабируемое для автомобильного применения, устройство будет размером примерно с галлон молока, но устройство можно использовать и для удаления углекислого газа и в других местах. Например, запатентованная UD технология может позволить использовать более легкие и эффективные устройства для удаления углекислого газа на космических кораблях или подводных лодках, где постоянная фильтрация имеет решающее значение.

По словам Ши, поскольку электрохимическая система работает на водороде, по мере развития водородной экономики это электрохимическое устройство может также использоваться в самолетах и ​​зданиях, где желательна рециркуляция воздуха в качестве меры энергосбережения. Позже в этом месяце, после защиты диссертации, Ши присоединится к Versogen, дочерней компании UD, основанной Яном, чтобы продолжить исследования в области устойчивого зеленого водорода.

Дополнительная информация: Лин Ши и др., Электрохимический элемент с короткозамкнутой мембраной, работающий на водороде, для удаления CO2 из воздуха, подаваемого в топливные элементы с гидроксидообменной мембраной, Nature Energy (2022). DOI: 10.1038/s41560-021-00969-5