在全球遏制溫室氣體排放的努力中，麻省理工學院的科學家正專注於碳捕集技術，以實現最具挑戰性的工業排放物的去碳化。這些基於單一電化學過程的研究成果可以幫助鋼鐵和水泥等最難脫碳的產業減少排放。

研究人員揭示如何透過單一電化學過程捕捉和轉化二氧化碳。在這過程中，電極（如圖中佈滿氣泡的電極）被用來吸附從吸附劑中釋放出來的二氧化碳，並將其轉化為碳中和產品。圖片來源：John Freidah／MIT MechE

鋼鐵、水泥和化學製造等產業由於在生產過程中固有地使用碳和化石燃料，因此特別難以實現脫碳。如果能開發出捕獲碳排放並在生產過程中再利用的技術，就有可能大幅減少這些”難以消減”產業的排放量。

然而，目前捕獲和轉化二氧化碳的實驗技術是兩個獨立的過程本身就需要大量的能源來運作。麻省理工學院的研究小組希望將這兩個過程結合成一個綜合的、能源效率高得多的系統，該系統有可能使用再生能源，從集中的工業資源中捕獲和轉化二氧化碳。

關於碳捕集與轉化的最新研究成果

在9 月5 日發表在《ACS Catalysis》雜誌上的一項研究中，研究人員揭示瞭如何透過單一電化學過程捕捉和轉化二氧化碳的隱藏功能。該過程包括使用電極吸附從吸附劑中釋放出來的二氧化碳，並將其轉化為還原的、可重複使用的形式。

其他人也報告了類似的演示，但驅動電化學反應的機制仍不清楚。麻省理工學院的研究小組進行了大量實驗來確定這個驅動因素，結果發現，歸根結底，它取決於二氧化碳的分壓。換句話說，與電極接觸的二氧化碳純度越高，電極捕獲和轉化二氧化碳分子的效率就越高。

對這一主要驅動因素或”活性物種”的了解，可以幫助科學家調整和優化類似的電化學系統，從而在一個綜合過程中有效地捕獲和轉化二氧化碳。

這項研究的結果表明，雖然這些電化學系統可能不適用於非常稀薄的環境（例如，直接從空氣中捕獲和轉化碳排放物），但它們非常適合工業生產過程中產生的高濃度排放物，特別是那些沒有明顯可再生替代品的排放物。

“我們可以而且應該轉用再生能源發電。”研究報告的作者、麻省理工學院1922級職業發展副教授貝塔爾-加蘭特（Betar Gallant）說：”但水泥或鋼鐵生產等行業的深度脫碳具有挑戰性，需要更長的時間。即使我們淘汰了所有的發電廠，我們也需要一些解決方案來在短期內解決其他行業的排放問題，然後才能實現這些行業的完全脫碳。這就是我們看到的一個甜蜜點，類似這個系統的東西可以適合這個甜蜜點。”

該研究的麻省理工學院共同作者包括主要作者、博士後格雷厄姆-萊維里克（Graham Leverick）和研究生伊麗莎白-伯恩哈特（Elizabeth Bernhardt），以及馬來西亞雙威大學的艾西婭-伊利亞尼-伊斯梅爾（Aisyah Illyani Ismail）、羅俊輝（Jun Hui Law）、阿里夫-阿里富扎曼（Arif Arifutzzaman）和穆罕默德-凱瑞丁-阿魯阿（Mohamed Kheireddine Aroua）。

了解碳捕集過程

碳捕集技術旨在捕集發電廠和製造設施煙囪中的排放物或”煙氣”。主要透過大型改裝設備將排放物導入裝有”捕集”溶液（胺或氨基化合物的混合物，可與二氧化碳發生化學結合，產生一種穩定的形式，可從煙道氣的其餘部分中分離出來）的室中。

然後，通常使用化石燃料產生的蒸氣進行高溫處理，將捕獲的二氧化碳從胺鍵中釋放出來。純淨的二氧化碳氣體可被泵入儲槽或地下、礦化或進一步轉化為化學物質或燃料。

“碳捕集技術是一項成熟的技術，其化學原理已經有大約100 年的歷史，但它需要真正的大型裝置，而且運行成本相當高，能源密集，”Gallant 指出。”我們需要的是更模組化、更靈活的技術，可以適應更多樣化的二氧化碳來源。電化學系統可以幫助解決這個問題。”

她在麻省理工學院的研究團隊正在開發一種電化學系統，既能回收捕獲的二氧化碳，又能將其轉化為還原的可用產品。她說，這樣一個整合系統，而不是一個分離的系統，可以完全由再生能源供電，而不是由化石燃料產生的蒸氣供電。

他們的概念集中在一個電極上，這個電極可以安裝在現有的碳捕集解決方案的腔體中。當電極施加電壓時，電子就會流向二氧化碳的活性形式，並利用從水中提供的質子將其轉化為產物。這樣，吸附劑就可以吸附更多的二氧化碳，而不是用蒸氣來吸附二氧化碳。

Gallant 以前曾證明，這種電化學過程可以捕獲二氧化碳並將其轉化為固體碳酸鹽形式。她說：「我們在非常早期的概念中就證明了這種電化學過程是可行的。從那時起，就有其他研究集中在利用這一過程嘗試生產有用的化學物質和燃料。但對這些反應的工作原理的解釋卻不一致。”

“單獨二氧化碳”的作用

在新的研究中，麻省理工學院的研究小組用放大鏡來觀察驅動電化學過程的特定反應。在實驗室中，他們生成了類似於用於從煙道氣中提取二氧化碳的工業捕集溶液的胺溶液。他們有條不紊地改變每種溶液的各種特性，如pH 值、濃度和胺的類型，然後讓每種溶液通過銀電極，銀是一種廣泛用於電解研究的金屬，已知能有效地將二氧化碳轉化為一氧化碳。然後，他們測量了反應結束時轉化的一氧化碳濃度，並將這一數字與他們測試的其他每種溶液的數字進行了比較，以確定哪種參數對一氧化碳的生成量影響最大。

最後，他們發現，最重要的並不是像許多人懷疑的那樣，最初用來捕獲二氧化碳的胺的類型。相反，最重要的是溶液中避免與胺結合的、自由漂浮的二氧化碳分子的濃度。這種”單獨的二氧化碳”決定了最終產生的一氧化碳的濃度。

Leverick 說：”我們發現，與被胺捕獲的二氧化碳相比，這種’單獨’的二氧化碳更容易發生反應。這告訴未來的研究人員，這種工藝在工業流中是可行的，可以有效地捕獲高濃度的二氧化碳，並將其轉化為有用的化學物質和燃料”。

Gallant 強調：「這不是一種去除技術，這一點很重要。它帶來的價值在於，它可以讓我們在維持現有工業流程的同時多次循環利用二氧化碳，從而減少相關排放。最終，我的夢想是利用電化學系統促進二氧化碳的礦化和永久儲存，這是一種真正的清除技術。這是一個更長遠的願景。而我們開始了解的許多科學知識正是設計這些過程的第一步。”