充电还能除碳？剑桥大学科学家开发出新型碳捕获装置

提起椰子壳与大海，你想到的是什么？

是马尔代夫海边潮湿、自由的空气？还是夏威夷土著热情奔放的舞蹈？

你在梦想着度假的时候，科学家们却用它们做出了让全人类都能更好地度假的东西。

近日，剑桥大学的研究人员开发了一种低成本碳捕获装置，可以在充电时选择性地捕获二氧化碳气体。随后在放电的过程中，二氧化碳能够被以可控的方式释放并收集起来，从而回收利用或是以妥当的的方式处理掉。

然而，这和我们度假有什么关系呢？

当然有关系。

气候变化、全球变暖是我们人类在21世纪面临的最严峻的挑战之一，可能导致各种各样的灾害性天气、生态灾难等等。每年，约有350亿吨二氧化碳被排放到大气中，加剧了地球的温室效应。据联合国政府间气候变化委员会的估计，要将全球变暖控制在工业化之前水平的1.5摄氏度，防止气温攀升至危险范围，我们需要在本世纪从大气中去除1 万亿吨的二氧化碳，并在2050年全面达到碳中和目标。

碳捕获与封存技术

显然，光是节能减排并不够，于是碳捕获与封存技术(CCS)就应运而生了。CCS技术主要关注诸如发电厂、炼油厂、水泥厂等碳排放大户，在排放的源头将二氧化碳吸收并收集起来，阻止其进入大气。目前发展最好的CCS是胺溶剂洗涤技术，但其过程需要消耗大量的能源，且造价高昂，其中最有代表性的挪威“登月计划”——挪威西部霍达兰郡Mongstad地区天然气发电厂的大规模全面CCS项目，这是一个雄心勃勃的例子，却最终因为成本过高等原因于2013年9月被终止。

时至今日，CCS限于成本问题面临着市场化难的严峻挑战，仍然停留在昂贵实验品的范畴。而近年出现的超电容变压吸附技术则是一种低成本、低能耗的碳捕获技术，有望替代传统的溶剂洗涤，并最终推动碳捕获与封存走向市场化、规模化的实际应用。

碳捕获与封存技术

超电容变压吸附技术

超电容变压吸附技术用到的超级电容器与我们熟知的可充电电池类似，有着储电、放电的功能，两者之间的主要区别在于它们储存电荷的方式。电池主要利用化学反应来储存和释放电荷，超级电容器则不依赖化学反应，而是依赖于一正一负两个电极之间电子的运动来储能，因而老化相对电池更慢，使用寿命更长。

在充电的过程中，将超级电容器碳电极的一端置于排放的烟道废气中，另一端置于水基电解质当中，则它会选择性地吸收气体中的二氧化碳，并将其溶解在电解质里面，达到碳捕获与封存的效果，这就是超电容变压吸附技术的基本工作原理。

超电容变压吸附技术

椰子壳、海水与交替电流？

以往的超电容变压吸附技术限于超级电容器较小的储量，效率比较低。近日，特雷弗·宾福德在剑桥攻读硕士学位期间领头的一项工作中，他的团队尝试通过负电压与正电压之间的交替以延长早先实验中的充电时间，而事实证明，这提高了超级电容器捕获碳的能力。

论文的作者伊斯拉尔和格蕾丝

“我们发现，通过让电极之间的电流进行缓慢的交替，我们可以捕获比以前多一倍的二氧化碳。”领导这项研究的剑桥大学Yusuf Hamied化学系副教授弗斯博士如此说道。他还表示，这一体积只有两便士硬币大小的装置在充放电过程中消耗的能量可能比当前工业中常用的胺加热工艺更少。

当然，这一装置只有在充电过程中才会由负极板吸收二氧化碳气体，同时忽略不会导致气候变化的其他成分，如氧气、氮气和水等等，实现既可以捕获碳又可以储能的功能；这一过程在放电时可逆。

“它的缺陷在于，超级电容器无法储存电池那么多的能量，然而就碳捕获来说，我们会优先考虑它的耐用性，”论文合著者之一的格蕾丝如此说道，“而最棒的是，用于制造超级电容器的材料便宜且来源丰富，比如它的电极就由碳制成，而碳来自丢弃不用的椰子壳。我们希望更多地使用不会对环境造成危害的惰性材料，且要能够支持长期使用而不需要频繁替换（丢弃）。举个简单的例子，这里的二氧化碳被溶解在一种水基电解质中，而这种电解质基本上可以说就是海水。”

碳捕获装置基本构造

另一位论文合著者伊斯拉尔博士则为该装置开发了一种气体分析技术，其原理大体就是使用了一种压力传感器，会对这一电化学装置中的气体吸附变化做出响应。他表示，由于这个研究领域目前还非常新，所以我们对其内部运作的精确机制仍然缺乏了解，而这一技术得出的结果可以帮助我们更好地理解在吸收和释放二氧化碳时，超级电容器内部究竟发生了什么。要实现这一装置的规模化，则对这些机制、期间可能的损耗以及设备老化过程的理解是必不可少的。该研究成果论文于5月19日发表在期刊上。

弗斯

“隔空取碳”？

除了从碳排放大户的源头除碳，还有一些颇具前景的碳捕获技术也值得关注，直接空气碳捕获就是其中之一。

这个思路很直接，大气中的二氧化碳太多了，那就直接把它们“抓回来”，但问题是捕集的成本太高，因而被许多科学家认为不具备可行性。这种情况一直持续到2018年夏天，哈佛大学气候科学家大卫·詹斯计算之后惊喜地发现，理论上可以将机器捕集二氧化碳的成本降低到每吨100美元以下，比原来的估计降低了一个数量级。

不过，当时的技术尚不成熟，尽管诸如Carbon Engineering（Keith是联合创始人之一）、Climeworks等公司都在启动他们试验工厂的规模化尝试，但要将成本降低到理论值仍然需要数年的时间，也没有可行的商业模式可以支持这项成本高昂的工作。

二氧化碳捕获基本原理

Orca

Orca

然而，人类的创造力是无穷的。短短几年后的2021年9月，Climeworks就打开了位于冰岛雷克雅未克郊外的Orca的开关，迄今为止最大的除碳工厂正式投入使用。

Orca的每一个模块都通过一台大型风扇将空气吸过一个过滤器，在那里材料与二氧化碳分子结合。然后，由该公司的合作伙伴Carbfix将二氧化碳与水混合，并将其泵入地下，在那里与玄武岩反应，最终变成石头。该设施完全依靠无碳电力运行，能源主要来自附近的地热发电厂。

Orca每年可捕获4000吨二氧化碳，这个数字确实不是很大，大致只相当于870辆汽车的年排放量。Climeworks的愿景是建立更多更大的工厂来捕获空气中的碳，这将有助于公司找出优化操作的方式，推动成本下降并实现规模经济。根据他们的预计，到本世纪30年代末，捕集每吨碳的成本将从600美元～800美元之间降低至约100美元～150美元。与此同时，前面提到的Carbon Engineering也计划今年开始在美国西南部建设他们的工厂，每年预计可消除100万吨二氧化碳，并与合作伙伴一道启动位于苏格兰和挪威的除碳工厂工程和设计工作。

不论是“捕风捉碳”，还是椰子壳与海水，科技创新都带来了新的希望，我们也要日日践行低碳生活。