科學家開發新“人工樹葉”系統 將碳捕獲率提高了100倍

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據New Atlas報道,重現植物將陽光、水和二氧化碳轉化為能量的自然光合作用過程,是科學界長期追求的目標。這些系統通常被描述為 “人工樹葉”,可以在應對氣候變化方面發揮關鍵作用。 一個工程師團隊剛剛加快了步伐,提出了一種解決方案,其捕獲二氧化碳的速度是現有技術的100倍。

多年來,我們已經研究了相當多的“人工樹葉”系統,它們利用陽光將水變成液體燃料和電力。一個有趣的例子是由伊利諾伊大學芝加哥分校(UIC)的工程師在2019年設計的系統。它有一個獨特的設計,創造者說它適合在現實世界中使用,而不像其他實驗室解決方案,只能用來自加壓罐的二氧化碳來工作。

該解決方案包括一個標準的人工光合作用裝置,它被包裹在一個充滿水的透明膠囊中,並有一個半滲透的外層。當陽光照射到該裝置時,水通過外層的孔隙蒸發,二氧化碳被吸入以取代它,裡面的裝置將其變成一氧化碳。這種一氧化碳又可以被捕獲並用於製造合成燃料。

通過對設計的一些關鍵調整,科學家們現在已將其效能提升到新的高度。該團隊使用廉價材料集成了帶電荷的膜,該膜充當水梯度,具有乾溼兩面。在乾的一側,一種有機溶劑附著在捕獲的二氧化碳上,並將其轉化為濃縮的碳酸氫鹽,在膜上堆積。

在溼的一側,一個帶正電的電極將碳酸氫鹽拉過膜,進入水溶液中,在那裡它又被轉化為二氧化碳,用於製造燃料或其他應用。改變電荷可以加快或減慢碳捕獲的速度,科學家發現在最佳狀態下,每四平方釐米的材料每小時可以捕獲3.3毫摩爾。

這種“通量率”被描述為非常高,比現有系統好100多倍。重要的是,為反應提供動力只需要微不足道的能量,每小時0.4千焦耳,比執行一個一瓦的LED燈泡所需的能量還要少。同樣令人印象深刻的是,該團隊表示,該系統可以以每噸145美元的價格捕獲二氧化碳,這符合能源部的指導方針,即這些技術的成本應在每噸200美元或以下。

UIC工程學院化學工程副教授、論文通訊作者Meenesh Singh說:“我們的人工樹葉系統可以部署在實驗室之外,由於它的高碳捕獲率、相對較低的成本和適度的能源,即使與最好的實驗室系統相比,它也有可能在減少大氣中的溫室氣體方面發揮重要作用。”

該裝置小到可以裝在揹包裡,而且是模組化的,這意味著多個單元有可能被堆疊在一起,以建立適合不同環境的裝置。

“特別令人興奮的是,這種電滲析驅動的人工樹葉的實際應用具有高通量,表面積小,模組化,”Singh說。“這意味著它有可能是可堆疊的,模組可以增加或減少,以更完美地滿足需要,並在家庭和教室中負擔得起,而不僅僅是在盈利的工業組織中使用。一個家用 加溼 器大小的小模組每天可以去除大於1公斤(2.2磅)的二氧化碳,而四個工業電滲析堆疊每小時可以從煙氣中捕獲大於300公斤(300磅)的二氧化碳。”

該研究發表在《 能源與環境科學 》雜誌上。