氢氧化镍电池在电化学直接空气捕集系统中运行5,000小时

一项新研究表明，一种用于电化学直接空气捕集的电池式装置已在实验室中连续运行5,000小时。特拉华大学和以色列初创公司RepAir DAC的研究人员于9月22日在《自然·能源》杂志上发表了他们的研究成果。九位作者中有四位来自位于以色列齐赫龙雅科夫的RepAir公司，其余五位来自特拉华大学，其中包括化学工程师严玉山（音译）。

研究团队利用以氢氧化镍电极和氢氧化物交换膜为基础构建的电池。该装置能够从空气中吸收二氧化碳，并且仅靠电力驱动。相比之下，目前大多数大型二氧化碳捕集装置都使用热能来释放捕获的二氧化碳。

细胞如何运作

该装置是一个对称电池，这意味着两个电极使用相同的材​​料。在一个电极上，氢氧化镍转化为氢氧化镍。在另一个电极上，发生相反的反应。

这些反应在细胞的一侧产生氢氧根离子，在另一侧消耗氢氧根离子。因此，细胞在细胞膜两侧形成pH梯度。空气流经碱性侧，二氧化碳在此处发生反应并溶解。然后，细胞从另一侧释放出高浓度气体。

由于两个电极具有相同的化学性质，细胞的静息电压为零。在之前的预印本中，该团队解释说，大部分电压用于建立pH梯度，剩余部分则驱动电极反应。

从一个小型细胞到堆叠

该研究首先测试了一个面积为25平方厘米的小型实验室装置，该装置为边长5厘米的正方形。它运行了5,000小时，这可以初步了解电极和膜的使用寿命。耐久性通常是新型捕获化学物质的短板。

随后，研究团队将规模扩大到由九个电池组成的堆叠结构，每个电池面积为300平方厘米。该堆叠结构捕获二氧化碳的能量成本为每摩尔132千焦耳，换算成每吨二氧化碳大约需要0.83兆瓦时。该堆叠结构的二氧化碳捕获率达到了每平方米每小时0.19摩尔。

对于实际工厂而言，至关重要的是，该烟囱满足了输送大量空气所需的压力要求。风扇将空气吹过捕集装置需要消耗能源，因此低压降可以降低运行成本。预印本显示，该规模化系统的压降低于 300 帕斯卡，比实验室单元的压降低十倍。

一条低于每吨100美元的路径

作者指出，该设计有望将每吨二氧化碳去除成本控制在100美元以下。长期以来，100美元一直是行业大规模直接空气捕集技术的基准。然而，该论文仅提出了一种方案，尚未有实际运行的工厂来验证其可行性。

该预印本还将能耗与Carbon Engineering公司的现有设计进行了比较。预印本指出，现有设计的能耗为每吨1.47兆瓦时。已发表的烟囱能耗结果远低于该数值，尽管这两个系统在成熟度和规模上存在差异。

电化学直接空气捕集还需要什么？

能源是任何碳捕集装置最大的运行成本之一。正因如此，电化学直接空气捕集技术备受关注。这种使用清洁电力、无需高温加热的设备可以建在风力发电场或太阳能发电场旁边。它还可以在电价低廉时启动，在电价高企时停止运行。

然而，5,000 小时的运行时间还不到七个月的连续运行时间。一座商业电站需要电池的使用寿命长达数年。此外，九节电池堆的尺寸也远小于电站实际使用的组件。

即便如此，这一成果也为该领域的发展做出了贡献。更广泛的直接空气捕集领域正从试点项目向大型工厂迈进。对于电化学直接空气捕集技术而言，下一步的测试将是规模更大的试点项目，该项目将在实验室外运行数月。