За последние несколько десятилетий инженеры-энергетики внедрили различные системы и методы смягчения последствий изменения климата и защиты окружающей среды Земли. Учитывая, что глобальная зависимость от ископаемого топлива в краткосрочной перспективе или сохраняется, многие технологии сосредоточены на улавливании углекислого газа (CO₂), одного из основных парниковых газов, способствующих изменению климата.

Технология улавливания углекислого газа может быть применена на промышленных объектах, электростанциях и других объектах, которые выделяют большое количество углекислого газа. Перспективным методом прямого извлечения углекислого газа из воздуха является электрохимическое улавливание колебаний pH, который использует чистую энергию для поглощения и выделения углекислого газа в результате обратимой реакции, вызванной изменениями кислотности (pH). Однако эта схема со временем ухудшится, что приведет к снижению способности улавливания углекислого газа, поскольку окислительно-восстановительные активные молекулы окисляются кислородом.

Исследователи из Университета Китайской академии наук, Гарвардского университета и Университета Вест-Лейк разработали новый метод, который повышает надежность технологии электрохимического улавливания колебаний pH. Метод, описанный в статье, опубликованной в журнале Nature Energy, опирается на гибридную систему проточных батарей, электрохимическое устройство, которое предотвращает нежелательные химические реакции между молекулами и позволяет извлекать углекислый газ из воздуха даже в присутствии кислорода.

Состарший автор статьи Майкл Азиз сказал Tech Xplore, что концентрация углекислого газа в атмосфере увеличивается быстрыми темпами, в то время как усилия стран по сокращению выбросов парниковых газов продвигаются медленно, и примерно к середине столетия человечеству, возможно, придется удалить углекислый газ из воздуха, и они разрабатывают способы достижения этой цели с использованием чистой, не выделяющей выбросы электроэнергии.

На протяжении более пяти лет Азиз и его коллеги работают над разработкой надежных электрохимически управляемых методов колебаний pH для улавливания углекислого газа непосредственно из воздуха, и основная цель последних исследований состоит в том, чтобы преодолеть ключевые ограничения системы. Азиз объяснил, что некоторые органические молекулы могут принимать как электроны, так и протоны и оставаться стабильными. Когда электроны электрохимически приводятся к этим молекулам через электроды, они вытаскивают протоны из молекул воды, оставляя гидроксид, тем самым повышая pH раствора. Гидроксиды в растворе с высоким рН улавливают углекислый газ путем обратимой реакции с ним, и при вытягивании электронов из органических молекул электрохимическими методами все процессы обращаются вспять, и углекислый газ высвобождается в сборную камеру для использования или хранения.

Ранние схемы реализации исследователей опирались на органические молекулы, растворенные в воде, и обнаружили, что эти молекулы могут провоцировать нежелательные химические реакции и влиять на общую производительность системы. Азиз утверждает, что проблема заключается в том, что когда водный раствор контактирует с воздухом или дымовыми газами, богатый в нем кислород обратимо реагирует с растворенными молекулами, мешая процессу улавливания углекислого газа. Инновация заключается в том, чтобы превращать органические молекулы в твердые полимеры, а не растворять их. Таким образом, при электрохимическом приводе молекул они впрыскивают гидроксид в раствор, и раствор, содержащий гидроксид, отправляется, улавливая углекислый газ из газов, содержащих углекислый газ и кислород, но органические молекулы не вступают в контакт с кислородом.

Исследователи оценили обновленную систему улавливания углекислого газа с помощью серии тестов и обнаружили, что она надежно отделяет воздух от молекул, реактивных к кислороду, а кулонобская эффективность улавливания углекислого газа достигает 99%. Эти результаты подчеркивают потенциал этого метода, показывая, что он может обеспечить крупномасштабное и эффективное улавливание углекислого газа непосредственно из воздуха.

Азиз добавил, что предложенная система может проложить путь к эффективному улавливанию углекислого газа из воздуха, несмотря на наличие кислорода. В настоящее время они продолжают изучать способы улавливания углекислого газа непосредственно из воздуха, ищя наименее затратные, безопасные и масштабируемые методы.