无膜电化学介导胺再生技术：碳捕获领域的高效低成本突破

研究人员针对传统电化学介导胺再生(EMAR)碳捕获技术中离子选择性膜成本高、操作复杂的问题，创新性地开发了无膜EMAR系统。通过采用气体扩散电极(GDE)替代膜组件，实现了90%以上的CO2脱除效率，能耗低至60 kJ/mol CO2，碳捕获平准化成本(LCOCC)降至69.7美元/吨，较传统技术降低50%。该研究为点源碳捕获提供了模块化、可扩展的解决方案。

　　

全球气候变化背景下，碳捕获技术已成为减缓温室效应的关键手段。传统热驱动胺洗涤法存在能耗高、吸收剂降解严重等问题，而电化学碳捕获(ECC)技术虽具模块化优势，但其核心组件离子交换膜(AEM)却成为成本瓶颈——膜组件占传统电化学介导胺再生(EMAR)系统总成本的55.8%，导致碳捕获平准化成本高达137美元/吨。更棘手的是，膜组件还带来长期运行稳定性的挑战。

为解决这一难题，美国休斯顿大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究，通过重新设计反应器构型，用气体扩散电极(GDE)完全替代膜组件，开发出全球首个无膜EMAR系统。该系统创新性地将CO₂吸收与解吸过程集成在单一电化学单元中，不仅消除了膜组件，还省去了吸收塔、闪蒸罐等辅助设备，使工艺流程简化40%。研究显示，电沉积铜的GDE在1.7 mg/cm²负载量时，可实现87%的CO₂脱除效率、176 A/m²的电流密度和76 kJ/mol CO₂的能耗，性能指标全面超越传统膜系统。技术经济分析表明，该技术可将碳捕获成本降至69.7美元/吨，为工业规模应用铺平道路。

研究团队采用三大关键技术：1）开发两种GDE构型（网片附着式与电沉积式），通过SEM/EDS表征铜负载分布；2）建立批次式两电极测试系统，采用15% CO₂模拟烟气，通过酸滴定法精确测量CO₂脱除量；3）基于550 MWe燃煤电厂模型开展技术经济分析，评估关键参数对平准化成本的影响。

关键结果

1. 电极构型优化：电沉积GDE显著优于网片附着式，消除微间隙带来的CO₂再吸收问题。Toray 060基底在1.7 mg/cm²铜负载时性能最佳，效率达87%。
   

   

2. 性能突破：系统能耗较传统EMAR降低48%，电流密度提升135%，且GC分析证实脱除CO₂纯度接近100%。
   

   

3. 经济性验证：敏感性分析显示，当GDE成本降至5美元/m²时，碳捕获成本可突破50美元/吨大关。
   

   

这项研究颠覆了传统电化学碳捕获的技术路线，通过电极工程创新实现了"去膜化"突破。特别值得注意的是，该系统对含7% O₂的模拟烟气表现出良好耐受性，但研究者建议后续需评估SO_x等杂质的影响。该技术已申请专利保护，其模块化特性使其既适用于燃煤电厂等大规模点源，也能适配水泥厂等中等规模排放源。随着电流密度的进一步提升，该技术有望成为首个实现50美元/吨成本目标的电化学碳捕获方案，为全球碳中和目标提供关键技术支撑。