用于集成二氧化碳脱附和电解过程的吸收剂溶液的评估

《Advanced Sustainable Systems》：Evaluation of Absorbent Solutions for the Integrated CO2 Desorption and Electrolysis

CO2电解氧化是一种缓解全球变暖的有效方法，通过集成脱附和电解过程可降低运行成本。研究测试了无机、胺类和物理吸收剂（如KOH、哌嗪、丙酮碳酸酯），发现KOH和哌嗪在电解稳定性及CO2提供效率上表现最佳：物理吸收剂（如丙酮碳酸酯）提供最高CO2量，无机吸收剂（如KOH）与膜兼容性更好。实验表明，阴离子交换膜（AEM）比双极膜（BPM）更利于C2+产物生成，但需优化电流密度和压力以提高效率。

　　在当前全球气候变暖日益严峻的背景下，减少二氧化碳（CO?）排放成为应对环境问题的关键措施之一。为了实现这一目标，碳捕集与利用（CCU）技术被广泛研究，其核心在于从排放源中捕获CO?，并将其转化为高价值的化学品，如乙烯（C?H?）。然而，传统CCU方法往往面临较高的能耗和成本，因此，将CO?的脱附与电解过程相结合的集成CO?电解技术成为一种潜在的解决方案，能够有效降低生产成本并提升能量利用效率。

集成CO?电解技术的关键在于选择合适的吸收剂，这些吸收剂不仅需要具备高效的CO?吸收能力，还必须满足电化学反应的条件，同时保证与膜材料的兼容性。在本研究中，通过系统的实验分析，评估了三种不同类别的吸收剂——无机吸收剂、胺类吸收剂以及物理吸收剂。结果显示，氢氧化钾（KOH）和哌嗪（PZ）作为吸收剂，表现出良好的性能，能够同时满足电化学反应对CO?的高可及性和对膜材料的兼容性要求。而物理吸收剂，如乙腈（MeCN），则在CO?的可及性方面表现出最高的水平，但其与膜的兼容性较差，限制了其在集成电解过程中的应用。

在吸收剂的选择过程中，研究人员重点关注了其在不同压力条件下的CO?吸收能力。实验表明，物理吸收剂在高压条件下展现出显著的CO?吸收能力，其中乙腈在6 bar(a)压力下达到最高的吸收量，约为1 mol/L。相比之下，无机吸收剂在相同压力下的吸收能力较低，但表现出更好的膜兼容性，这使其在某些情况下更具优势。对于胺类吸收剂，哌嗪的CO?吸收能力相对较高，且其在电化学条件下的稳定性也优于其他胺类吸收剂。这些结果表明，吸收剂的选择需要综合考虑其吸收能力和电化学环境的适应性，以确保集成CO?电解过程的高效和稳定运行。

在评估吸收剂与膜的兼容性时，研究采用了两种常见的膜材料：阴离子交换膜（AEM）和双极膜（BPM）。实验发现，BPM在大多数吸收剂中表现出较高的稳定性，而AEM则主要适用于无机吸收剂，如水和KOH。对于胺类吸收剂，如MEA和PZ，AEM在接触后表现出较差的兼容性，这限制了其在集成电解过程中的应用。因此，膜的选择对整个系统性能具有重要影响，需要与吸收剂的化学性质相匹配，以确保在长时间运行中不会发生膜的降解或功能丧失。

为了进一步评估吸收剂的电化学稳定性，研究人员在模拟的集成电解条件下，对不同吸收剂进行了电化学测试。测试中，吸收剂被置于电解槽的阴极区，并在特定的电流密度下运行。结果表明，KOH和PZ在电化学稳定性方面表现优异，而其他吸收剂如MEA和MeCN则显示出一定的降解趋势。这种稳定性对于实现长期、可持续的CO?转化至关重要，因为吸收剂的性能下降会导致电解效率降低，从而增加生产成本。

在集成CO?电解实验中，研究人员使用了零间隙电解槽，并结合了气体扩散电极（GDE）和阴离子交换膜（AEM）进行测试。实验结果显示，AEM在CO?转化方面表现出更高的效率，能够有效促进碳基产物的形成，包括乙烯和丙醇等。而BPM则主要促进氢气的生成，虽然其在某些情况下具有一定的优势，但整体上不如AEM适合集成电解过程。此外，实验还发现，AEM能够更有效地实现C–C偶联，从而提高C?+产物的产率。这一现象可能与AEM在阴极区维持较高pH环境有关，这种环境有利于CO?的电化学转化并促进碳基产物的形成。

尽管AEM在集成CO?电解中表现出良好的性能，但其对吸收剂的兼容性仍然有限。因此，研究团队还对其他吸收剂进行了测试，以寻找在电化学条件和膜兼容性之间取得平衡的替代方案。例如，PZ在电化学稳定性方面表现良好，同时具备较高的CO?吸收能力，使其成为集成电解的潜在候选材料。然而，由于MeCN在电化学测试中表现出较低的电导率，无法达到所需的电流密度，因此被排除在进一步研究之外。

研究结果表明，吸收剂的选择和电解系统的配置对集成CO?电解过程的成功至关重要。在本研究中，KOH和PZ被证明是两种具有良好综合性能的吸收剂，能够在高压力下提供足够的CO?可及性，同时具备良好的膜兼容性和电化学稳定性。这些发现为未来的工业应用提供了重要的指导，特别是在追求高效率和低成本的CO?转化过程中。然而，研究也指出，当前的实验条件仍存在一定的局限性，例如电流密度和产物选择性等方面仍有待优化。因此，进一步的研究需要关注如何提升电解系统的性能，包括改进吸收剂配方、优化膜材料以及调整操作参数等。

从更广泛的角度来看，集成CO?电解技术不仅有助于减少温室气体排放，还能够为工业生产提供可持续的碳源，这与联合国可持续发展目标高度契合。通过这一技术，可以将原本排放到大气中的CO?转化为高附加值的化学品，从而实现碳资源的循环利用。然而，要将这一技术推广到工业化应用，还需要解决多个关键问题，包括提高电流密度、延长设备运行寿命以及优化产物选择性等。

此外，研究还强调了电化学环境对CO?转化的影响。例如，在集成电解过程中，阴极区的pH值对于促进碳基产物的形成至关重要。较高的pH值能够增强CO?的电化学可及性，从而提高乙烯等C?+产物的产率。同时，阴极区的产物选择性也受到多种因素的影响，包括催化剂的类型、反应条件以及吸收剂的性质。因此，未来的实验和工业应用需要在这些方面进行更深入的探索，以实现更高效、更经济的CO?转化过程。

总体而言，集成CO?电解技术为实现低碳和可持续发展提供了新的思路和方法。通过优化吸收剂的选择和电解系统的配置，可以有效提升CO?的转化效率，同时降低能耗和成本。然而，这一技术仍处于实验室研究阶段，距离大规模工业应用还有一定距离。因此，进一步的研究和开发工作，包括对吸收剂性能的深入分析、对膜材料的改进以及对电解过程的系统优化，将有助于推动这一技术的商业化进程。随着相关技术的不断进步，集成CO?电解有望成为未来碳捕集与利用的重要手段之一。