이산화탄소를 포집하여 에너지 효율적으로 변환

연구자들은 기포로 뒤덮인 그림과 같은 전극을 사용하여 흡수성 물질에서 방출된 이산화탄소를 끌어당겨 탄소 중립으로 전환시키는 단일 전기화학 공정을 통해 이산화탄소를 포집하고 전환할 수 있는 방법을 발견했습니다. 제품. 출처: John Frieda/MIT MechE

단일 전기화학 공정에 의존하는 이러한 결과는 철강 및 시멘트와 같이 탈탄소화가 어려운 산업에서 배출을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

전 세계 과학자들은 온실가스 배출을 줄이기 위해 노력하고 있습니다. 매사추세츠 공과대학 그들은 가장 까다로운 산업 배출물을 탈탄소화하기 위해 탄소 포집 기술에 중점을 둡니다.

철강, 시멘트, 화학제품 제조와 같은 산업은 공정에서 탄소와 화석 연료를 본질적으로 사용하기 때문에 탈탄소화하기가 특히 어렵습니다. 탄소 배출을 포집하여 이를 생산 공정에 재사용하는 기술을 개발할 수 있다면 이러한 “완화하기 어려운” 부문의 배출량을 크게 줄일 수 있습니다.

그러나 이산화탄소를 포집하고 변환하는 현재의 실험 기술은 두 가지 별도의 공정으로 수행되며, 그 자체로 작동하려면 엄청난 양의 에너지가 필요합니다. MIT 팀은 두 가지 프로세스를 하나의 통합되고 에너지 효율적인 시스템으로 결합하여 재생 가능 에너지로 실행하여 집중된 산업 소스에서 이산화탄소를 포집하고 변환할 수 있는 방법을 모색하고 있습니다.

탄소 포집 및 전환에 관한 최근 연구 결과

9월 5일자 저널에 발표된 연구에서 ACS 촉매작용연구원들은 단일 전기화학적 과정을 통해 이산화탄소를 포집하고 변환하는 숨겨진 기능을 밝힙니다. 이 공정에는 전극을 사용하여 흡수성 물질에서 방출된 이산화탄소를 포착하여 재사용이 가능한 희석 형태로 변환하는 과정이 포함됩니다.

다른 사람들도 비슷한 실증을 보고했지만 전기화학 반응을 일으키는 메커니즘은 여전히 ​​불분명합니다. MIT 팀은 이 구동력을 결정하기 위해 광범위한 실험을 수행했으며, 궁극적으로 이것이 이산화탄소의 부분압 때문이라는 사실을 발견했습니다. 즉, 전극과 접촉하는 CO2가 더 순수할수록 전극은 분자를 더 효율적으로 포착하고 변환합니다.

이 기본 또는 “활성” 엔진이 무엇인지 알아보세요. 나누다“는 과학자들이 유사한 전기화학 시스템을 미세 조정하고 최적화하여 통합 공정에서 이산화탄소를 효율적으로 포집하고 변환하는 데 도움이 될 수 있습니다.

연구 결과에 따르면 이러한 전기화학 시스템은 매우 희석된 환경(예: 공기 중 직접 탄소 배출을 포집하고 변환)에는 적합하지 않을 수 있지만 산업 공정에서 생성되는 고농도 배출에는 적합할 수 있습니다. 특히 재생에너지에 대한 명확한 대안이 없는 곳에서는 더욱 그렇습니다.

연구 저자이자 1922년 MIT 경력 개발 부교수인 Petar Galant는 “우리는 전기를 생산하기 위해 재생 가능 에너지원으로 전환할 수 있고 전환해야 합니다. 시멘트나 철강 생산과 같은 산업의 철저한 탈탄소화는 어렵고 시간이 걸릴 것입니다.”라고 말합니다. “발전소를 모두 없애더라도 다른 산업의 탄소 배출을 완전히 탈탄소화하려면 단기적으로 처리할 수 있는 솔루션이 필요합니다. 이것이 우리가 이 시스템과 같은 것이 작동할 수 있는 최적의 지점을 보는 곳입니다.

이번 연구의 공동 저자는 MIT의 수석 저자이자 박사후 연구원인 Graham Leverick과 대학원생 Elizabeth Bernhardt, 그리고 말레이시아 Sunway University의 Aisha Iliani Ismail, Jun Hui Lo, Arif Arifuzzaman 및 Mohd Khairuddin Arua입니다.

탄소 포집 과정 이해

탄소 포집 기술은 발전소 및 제조 시설의 굴뚝에서 배출되는 배출가스, 즉 “연도 가스”를 포집하도록 설계되었습니다. 이는 주로 “포집” 용액(이산화탄소와 화학적으로 결합하여 나머지와 분리될 수 있는 안정적인 형태를 만드는 아민 또는 암모니아 기반 화합물의 혼합물)으로 채워진 챔버로 배출을 유도하기 위해 대규모 개조를 사용하여 수행됩니다. 연도 가스에서.

그런 다음 일반적으로 화석 연료 증기 형태로 고온을 적용하여 아미노 결합에서 포획된 이산화탄소를 방출합니다. 순수한 형태의 가스는 저장 탱크나 지하로 펌핑되거나 광물화되거나 화학 물질이나 연료로 변환될 수 있습니다.

“탄소 포집은 화학이 약 100년 동안 알려져 왔기 때문에 성숙한 기술이지만 이를 위해서는 매우 큰 시설이 필요하고 실행하는 데 비용이 많이 들고 에너지 집약적입니다.”라고 Gallant는 지적합니다. “우리가 원하는 것은 보다 유연하고 다양한 이산화탄소 공급원에 적용할 수 있는 기술입니다. 전기화학 시스템이 이 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.”

MIT에서 그녀의 그룹은 포집된 이산화탄소를 회수하여 이를 환원되고 사용 가능한 제품으로 바꾸는 전기화학 시스템을 개발하고 있습니다. 분리된 시스템이 아닌 통합된 시스템은 화석 연료에서 파생된 증기가 아닌 재생 가능한 전기로 전적으로 구동될 수 있다고 그녀는 말합니다.

그들의 개념은 탄소 포집 솔루션을 위해 기존 챔버에 설치할 수 있는 전극을 중심으로 합니다. 전극에 전압을 가하면 전자가 반응성 형태의 이산화탄소로 흘러들어 물에서 공급되는 양성자를 이용해 생성물로 변환됩니다. 이렇게 하면 동일한 일을 하기 위해 증기를 사용하는 대신 흡수제가 더 많은 이산화탄소를 결합할 수 있게 됩니다.

Gallant는 이전에 이 전기화학 공정이 이산화탄소를 포집하여 가스로 전환할 수 있음을 입증했습니다. 고체 탄산염의 형태.

“우리는 이 전기화학적 공정이 매우 초기 개념에서 가능하다는 것을 보여주었습니다.”라고 그녀는 말합니다. “그 이후로 유용한 화학물질과 연료를 생산하기 위해 이 공정을 사용하는 데 초점을 맞춘 다른 연구가 있었습니다. 그러나 이러한 반응이 내부적으로 어떻게 작동하는지에 대한 설명은 일관되지 않았습니다.”

솔로 CO2의 역할

새로운 연구에서 MIT 팀은 전기화학적 과정을 주도하는 특정 반응을 알아내기 위해 후드 아래에 돋보기를 사용했습니다. 실험실에서 그들은 연도 가스에서 이산화탄소를 추출하는 데 사용되는 산업용 포집 용액과 유사한 아미노 용액을 생산했습니다. 그들은 pH, 농도, 아민 유형과 같은 각 용액의 다양한 특성을 체계적으로 변화시킨 다음 각 용액을 은으로 만든 전극에 통과시켰습니다. 은은 전기분해 연구에 널리 사용되며 이산화탄소를 탄소로 효율적으로 전환하는 능력으로 알려진 금속입니다. . 일산화탄소. 그런 다음 그들은 반응이 끝날 때 변환된 일산화탄소의 농도를 측정하고 이 수치를 테스트한 다른 모든 용액과 비교하여 생성된 일산화탄소의 양에 가장 큰 영향을 미치는 매개 변수를 확인했습니다.

결국 그들은 가장 중요한 것은 많은 사람들이 예상했던 것처럼 처음에 이산화탄소를 포집하는 데 사용된 아민의 유형이 아니라는 사실을 발견했습니다. 대신, 아민과의 결합을 피했지만 그럼에도 불구하고 용액에 존재하는 것은 단일 유리 CO2 분자의 농도였습니다. “단일 이산화탄소”는 최종적으로 생성되는 일산화탄소의 농도를 결정합니다.

“우리는 아민에 의해 포집된 이산화탄소보다 단일 이산화탄소와 반응하는 것이 더 쉽다는 것을 발견했습니다.”라고 Leverick은 말했습니다. “이것은 고농도의 이산화탄소를 효율적으로 포집하여 유용한 화학물질과 연료로 전환할 수 있기 때문에 이 공정이 산업 흐름에 적합할 수 있다는 것을 미래 연구자들에게 알려줍니다.”

Gallant는 “이것은 제거 기술이 아니며 이를 언급하는 것이 중요합니다.”라고 강조합니다. “이것이 가져오는 가치는 기존 산업 공정을 유지하면서 CO2를 여러 번 재활용하여 관련 배출량을 줄일 수 있다는 것입니다. 궁극적으로 제 꿈은 전기화학 시스템을 사용하여 CO2의 광물화 및 영구 저장을 촉진하는 것입니다. 제거 기술.” 이것은 장기적인 비전이며, 우리가 이해하기 시작한 과학의 대부분은 이러한 프로세스를 설계하기 위한 첫 번째 단계입니다.

참조: “아민 매개 이산화탄소의 활성종 검출₂ “Ag의 CO2 감소”, Graham Leverick, Elizabeth M. 베른하르트, 아이샤 일리아니 이스마일, 루 준 후이, A. Arif Al-Zaman, Muhammad Khairuddin Arwa 및 Petar M. Gallant*, 2023년 9월 5일, ACS 촉매작용.
도이: 10.1021/acscatal.3c02500

이 연구는 말레이시아 선웨이 대학교(Sunway University Malaysia)의 지원을 받았습니다.