科学家开发新“人工树叶”系统 将碳捕获率提高了100倍

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据New Atlas报道,重现植物将阳光、水和二氧化碳转化为能量的自然光合作用过程,是科学界长期追求的目标。这些系统通常被描述为 “人工树叶”,可以在应对气候变化方面发挥关键作用。 一个工程师团队刚刚加快了步伐,提出了一种解决方案,其捕获二氧化碳的速度是现有技术的100倍。

多年来,我们已经研究了相当多的“人工树叶”系统,它们利用阳光将水变成液体燃料和电力。一个有趣的例子是由伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)的工程师在2019年设计的系统。它有一个独特的设计,创造者说它适合在现实世界中使用,而不像其他实验室解决方案,只能用来自加压罐的二氧化碳来工作。

该解决方案包括一个标准的人工光合作用装置,它被包裹在一个充满水的透明胶囊中,并有一个半渗透的外层。当阳光照射到该装置时,水通过外层的孔隙蒸发,二氧化碳被吸入以取代它,里面的装置将其变成一氧化碳。这种一氧化碳又可以被捕获并用于制造合成燃料。

通过对设计的一些关键调整,科学家们现在已将其性能提升到新的高度。该团队使用廉价材料集成了带电荷的膜,该膜充当水梯度,具有干湿两面。在干的一侧,一种有机溶剂附着在捕获的二氧化碳上,并将其转化为浓缩的碳酸氢盐,在膜上堆积。

在湿的一侧,一个带正电的电极将碳酸氢盐拉过膜,进入水溶液中,在那里它又被转化为二氧化碳,用于制造燃料或其他应用。改变电荷可以加快或减慢碳捕获的速度,科学家发现在最佳状态下,每四平方厘米的材料每小时可以捕获3.3毫摩尔。

这种“通量率”被描述为非常高,比现有系统好100多倍。重要的是,为反应提供动力只需要微不足道的能量,每小时0.4千焦耳,比运行一个一瓦的LED灯泡所需的能量还要少。同样令人印象深刻的是,该团队表示,该系统可以以每吨145美元的价格捕获二氧化碳,这符合能源部的指导方针,即这些技术的成本应在每吨200美元或以下。

UIC工程学院化学工程副教授、论文通讯作者Meenesh Singh说:“我们的人工树叶系统可以部署在实验室之外,由于它的高碳捕获率、相对较低的成本和适度的能源,即使与最好的实验室系统相比,它也有可能在减少大气中的温室气体方面发挥重要作用。”

该设备小到可以装在背包里,而且是模块化的,这意味着多个单元有可能被堆叠在一起,以建立适合不同环境的设备。

“特别令人兴奋的是,这种电渗析驱动的人工树叶的实际应用具有高通量,表面积小,模块化,”Singh说。“这意味着它有可能是可堆叠的,模块可以增加或减少,以更完美地满足需要,并在家庭和教室中负担得起,而不仅仅是在盈利的工业组织中使用。一个家用 加湿 器大小的小模块每天可以去除大于1公斤(2.2磅)的二氧化碳,而四个工业电渗析堆栈每小时可以从烟气中捕获大于300公斤(300磅)的二氧化碳。”

该研究发表在《 能源与环境科学 》杂志上。