前言：儲能與碳捕捉與儲存（Carben Capture and Storage, 簡稱CCS）看似是毫不相關的兩個領域，但是來自麻省理工的科學家Sahag Voskian和T. Alan Hatton改變了這一點。他們研發出了一種新型CCS技術，通過一塊電池的充放電過程，在充電過程中將二氧化碳從濃度低至0.6%-10%的氣流中分離出來，並在放電過程中釋放純淨的二氧化碳。電池的電流效率超過90%，每分離一摩爾的二氧化碳（44克）需要消耗40-90kJ的能量，且可以長期運行，7000次充放電循環後容量損失不超過30%。 這一結果於9月30日發佈在能源頂級期刊Energy& Environmental Science上。
關鍵詞：儲能 電池 分離二氧化碳
CCS 技術簡介
由二氧化碳引起的全球變暖帶來的威脅是本世紀人類面臨的重大挑戰之一。據政府間氣候變化專門委員會IPCC於2018年10月發佈的《IPCC 全球升溫 1.5ºC 特別報告》，如果想要將全球變暖控制在1.5°C以內，全球碳排放在2030年下降到2010年的55%，到2050年人類實現零排放。這就需要從空氣中除去二氧化碳來平衡碳排放。
相關的研究也早已開展。目前比較成熟的技術是氧燃料燃燒（通過使用純氧而不是空氣使燃料燃燒，從而得到高二氧化碳濃度的廢氣，便於二氧化碳儲存）加溶液洗滌（通常為胺洗）。這個過程要求二氧化碳濃度大於10%，且需要對電廠進行大規模的改造。許多技術通過化學過程吸收二氧化碳，這就需要吸收器的再生以實現循環利用。目前再生的手段主要可以分為“熱變化”（Termal-swing）和“壓力變化”（Pressure-swing）兩種，但這兩種方式需要大量能量，用於將加熱吸收器或將吸收器抽真空。因此，能量利用效率都很低。
除此之外，CCS的應用場景不應僅限於處理高濃度的二氧化碳流，在一些特殊環境，如太空站、飛機機艙、潛水艇等封閉環境中，需要從二氧化碳濃度很低的空氣中分離二氧化碳。這樣的技術也能成為人類在用盡碳排放指標後力挽狂瀾的工具。
所以，雖然關於CCS的研究已經持續了很多年，且碳交易為CCS的經濟應用提供了可能，但是目前電廠應用CCS的實現減排的成本依舊十分高昂。據IPCC估計，一座燃煤電站應用CCS能夠減少80%-90%的碳排放，但也會因此增加25%-40%的能源消耗和21%-91%的成本。2015年，商務部將CCS稱為“應對全球變暖的一種重要方案”，同時也稱為其“一項昂貴的實驗品”。
美國北達科他州煤氣化工廠，每年通過CCS分離3.3兆噸二氧化碳 圖片來源：參考資料[2]
新技術原理與特點
在這項研究中，MIT科學家沒有使用傳統的“熱變化”或“壓力變化”吸收體，而是採用“電變化”（Electro-Swing）吸收器。由於電化學過程近乎等溫等壓，能極大地提升其能量利用效率。整個裝置的核心部件就是這個“電變化”吸收器。吸收器由三部分組成：兩片塗有能吸附二氧化碳的蒽醌聚合物納米管塗層的電極，中間是聚乙烯二茂鐵納米管複合材料製成的電極。在陰陽極之間是絕緣材料。作者在論文發佈後還在網上發佈了裝置的介紹視頻。整個裝置的結構如下圖：
接下來的內容涉及大量化學，對化學有恐懼症的小夥伴可以跳過。充電時，蒽醌上的兩個氧原子得電子，形成負電中心（或者說使其具有足夠的路易斯鹼強度），吸引二氧化碳中位於正電中心附近的碳原子，使醌羧酸化，捕獲二氧化碳。由於氮氣和氧氣都不具備這樣的路易斯酸強度，所以反應有很好的選擇性。充電電壓越高，氧原子被極化得越明顯，反應速率越快，但能量損失更大，因此從能量的角度，應該使充電電壓略大於反應需要的電壓，在純氮氣條件下大約是1.21V左右，隨二氧化碳濃度變化。
這項技術的特點和難點在於電極材料的選擇和製作。首先，需要能選擇性捕獲二氧化碳；其次，電極表面需要較大的表面積，增加反應速率，這對於從低濃度的二氧化碳源中捕獲二氧化碳尤為重要；最後，還需要良好的導電性，這一點通過聚蒽醌中的離域π鍵得以實現。
成本和儲能密度方面，作者沒有過多提及。不過可以猜的是，這項技術的經濟性會好於原有的技術。一方面，電極沒有用到稀有金屬，所使用的蒽醌和二茂鐵也都實現了人工合成，成本不會太高。另一方面，這項技術既可以用於碳交易，用於電力負荷的削峰填谷，反應過程不需要加熱或加壓，也節省了大量能源開支，捕獲的二氧化碳還可用於生產尿素等工業產品。不過，其儲能密度應該不大。一方面，部分空間需要留作氣道，增加了裝置的體積，另一方面，真正發生反應的只有表面的一層聚蒽醌，能儲存的電量有限。由於捕獲二氧化碳終究需要能量，其單次循環效率不高。不過，這項技術最初就是作為碳捕獲技術而研究，其儲能的特性可以作為錦上添花。
目前，研究團隊已經成立了一家名為Verdox的公司，以實現系統的商業化運轉。
1. Voskian S, Hatton T A. Faradaic Electro-Swing ReactiveAdsorption for CO2 Capture[J]. Energy & Environmental Science, 2019.
2. IPCC特別報告《二氧化碳捕獲和封存》，2005年
3.《IPCC 全球升溫 1.5ºC 特別報告》，2018年
https://www.ipcc.ch/sr15/
4. 中華人民共和國商務部，挪威碳捕捉與封存工程，2015年8月
http://www.mofcom.gov.cn/article/i/dxfw/jlyd/201508/20150801097306.shtml
5. Electro-swingadsorption for high efficiency carbon capture
https://vimeo.com/368583616
作者 | 林偉
內容負責人 | 林偉
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