作為降低碳捕獲成本的馬拉松式研究工作的一部分，化學家們現在已經展示了一種捕獲二氧化碳的方法，與目前的商業技術相比，成本降低了19%。這項新技術與商業化的同類技術相比，完成同樣的任務所需的能量減少了17%，超越了阻礙其他形式的碳捕集技術在工業上廣泛使用的障礙,而且它可以很容易地應用在現有的捕集系統中。

在2021年3月版的《國際溫室氣體控制雜誌》上發表的一項研究中，來自美國能源部太平洋西北國家實驗室的研究人員–以及來自福陸公司和電力研究所的合作者–描述了被稱為EEMPA的溶劑的特性，使其能夠避開傳統溶劑所產生的能源上的昂貴需求。

“EEMPA具有一些有前途的品質，”該研究的主要作者化學工程師袁江說。”它可以在不含高水的情況下捕獲二氧化碳，所以它是水溶性的，而且它的粘性比其他水溶性溶劑小得多。”

碳捕獲方法是多種多樣的。它們的範圍從水胺–富含水的溶劑，貫穿於當今市面上的捕捉裝置–到從發電廠排放的煙氣中過濾二氧化碳的節能膜。

當前大氣中的二氧化碳含量近年來飆升，比過去80萬年內的任何時候都要高，2019年創下了409.8ppm的新高。二氧化碳主要是通過化石燃料燃燒等人類活動釋放出來的，如今的大氣濃度超過工業化前水平47%。

根據能源部的分析，以每台成本4-5億美元計算，商業技術可以捕獲碳，每噸二氧化碳的價格大約為58.30美元。根據袁江的研究，EEMPA可以從電廠煙氣中吸收二氧化碳，之後以純二氧化碳的形式釋放出來，價格僅為每公噸47.10美元，為電廠運營商提供了一個額外的二氧化碳捕獲技術選擇。

袁江的研究描述了電廠在使用EEMPA時可以採用的七種流程，從類似於20世紀30年代技術中描述的簡單設置，到更複雜的多級配置。袁江模擬了在一個550兆瓦的煤電廠中運行這些工藝的能源和材料成本，發現每種方法的成本都凝聚在每噸47.10美元左右。

解決溶劑的問題

最早已知的溶劑型碳捕獲技術專利之一出現在1930年，由Robert Bottoms申請。“我不是開玩笑，”新研究的共同作者，綠色化學家David Heldebrant說。“91年前，Bottoms使用幾乎相同的工藝設計和化學方法來解決我們現在所知道的21世紀的問題。”

從燃燒後的氣體中提取二氧化碳的化學過程基本上沒有改變：富含水的胺類與煙氣混合，吸收二氧化碳，隨後從氣體中剝離，然後將其壓縮並儲存。但水胺也有局限性。因為它們富含水分，所以必須在高溫下煮沸以去除二氧化碳，然後冷卻後才能重複使用，從而使成本上升。

“我們想從另一個側面打聽一下，為什麼我們不使用21世紀的化學來解決這個問題？” Heldebrant說。於是，在2009年，他和他的同事們開始設計無水溶劑作為替代方案。最初的幾種溶劑都太粘稠，無法使用。

他回憶說：“你看，行業合作夥伴說：’你的溶劑正在凍結，並變成玻璃。我們不能用這種溶劑。’所以，我們說，好吧。接受挑戰。”

在接下來的十年裡，PNNL團隊改進了溶劑的化學成分，其明確目標是克服”粘度障礙”。結果發現，關鍵是使用分子以促進內部氫鍵的方式排列，留下較少的氫原子與鄰近分子相互作用。

Heldebrant用孩子們跑過球坑做了一個比較：如果兩個孩子在通過時互相握住對方的手，他們就會緩慢移動。但如果他們改握自己的手，他們就會作為兩個較小的、移動較快的物體通過。內部氫鍵也會使整體上相互作用的氫原子減少，類似於把球從坑里移走。

轉向塑料

該團隊的溶劑曾經像蜂蜜一樣粘稠，現在卻像水壺裡的水一樣流動。EEMPA的粘度比PNNL以前的水淨配方低99%，現在幾乎與商業溶劑相當，可以在現有的基礎設施中加以利用，而現有的基礎設施主要是由鋼材建造的。研究小組發現，轉而使用塑料代替鋼材，可以進一步降低設備成本。

鋼材生產成本高，運輸成本高，而且與溶劑接觸時間長了容易腐蝕。根據袁江在2019年領導的一項研究，以十分之一的重量，用塑料代替鋼材可以使整體成本再降低5美元/噸。

與塑料的搭配為EEMPA提供了另一個優勢，其反應表面積在塑料體系中得到提升。因為傳統的水性胺不能很好地”濕潤”塑料，這種優勢是新溶劑所獨有的。

PNNL團隊計劃在2022年生產4000加侖的EEMPA，在阿拉巴馬州謝爾比縣國家碳捕集中心的測試設施內以0.5兆瓦的規模進行分析，該項目由電力研究所與國際三角研究所合作領導。他們將繼續以越來越大的規模進行測試，並進一步完善溶劑的化學成分，目的是達到美國能源部的目標，即到2035年部署可以以每噸30美元的成本捕獲二氧化碳的商業化技術。