儲(chǔ)能與碳捕捉與儲(chǔ)存（Carben Capture and Storage, 簡(jiǎn)稱CCS）看似是毫不相關(guān)的兩個(gè)領(lǐng)域，但是來(lái)自麻省理工的科學(xué)家Sahag Voskian和T. Alan Hatton改變了這一點(diǎn)。他們研發(fā)出了一種新型CCS技術(shù)，通過(guò)一塊電池的充放電過(guò)程，在充電過(guò)程中將二氧化碳從濃度低至0.6%-10%的氣流中分離出來(lái)，并在放電過(guò)程中釋放純凈的二氧化碳。電池的電流效率超過(guò)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(zhǎng)期運(yùn)行，7000次充放電循環(huán)后容量損失不超過(guò)30%。 這一結(jié)果于9月30日發(fā)布在能源頂級(jí)期刊Energy& Environmental Science上。
CCS 技術(shù)簡(jiǎn)介
由二氧化碳引起的全球變暖帶來(lái)的威脅是本世紀(jì)人類面臨的重大挑戰(zhàn)之一。據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)IPCC于2018年10月發(fā)布的《IPCC 全球升溫 1.5oC 特別報(bào)告》，如果想要將全球變暖控制在1.5°C以內(nèi)，全球碳排放在2030年下降到2010年的55%，到2050年人類實(shí)現(xiàn)零排放。這就需要從空氣中除去二氧化碳來(lái)平衡碳排放。
相關(guān)的研究也早已開展。目前比較成熟的技術(shù)是氧燃料燃燒（通過(guò)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，便于二氧化碳儲(chǔ)存）加溶液洗滌（通常為胺洗）。這個(gè)過(guò)程要求二氧化碳濃度大于10%，且需要對(duì)電廠進(jìn)行大規(guī)模的改造。許多技術(shù)通過(guò)化學(xué)過(guò)程吸收二氧化碳，這就需要吸收器的再生以實(shí)現(xiàn)循環(huán)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，用于將加熱吸收器或?qū)⑽掌鞒檎婵铡Ｒ虼?，能量利用效率都很低?
除此之外，CCS的應(yīng)用場(chǎng)景不應(yīng)僅限于處理高濃度的二氧化碳流，在一些特殊環(huán)境，如太空站、飛機(jī)機(jī)艙、潛水艇等封閉環(huán)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(shù)也能成為人類在用盡碳排放指標(biāo)后力挽狂瀾的工具。
全球二氧化碳封存能力 圖片來(lái)源：參考資料[2]
所以，雖然關(guān)于CCS的研究已經(jīng)持續(xù)了很多年，且碳交易為CCS的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用提供了可能，但是目前電廠應(yīng)用CCS的實(shí)現(xiàn)減排的成本依舊十分高昂。據(jù)IPCC估計(jì)，一座燃煤電站應(yīng)用CCS能夠減少80%-90%的碳排放，但也會(huì)因此增加25%-40%的能源消耗和21%-91%的成本。2015年，商務(wù)部將CCS稱為“應(yīng)對(duì)全球變暖的一種重要方案”，同時(shí)也稱為其“一項(xiàng)昂貴的實(shí)驗(yàn)品”。
美國(guó)北達(dá)科他州煤氣化工廠，每年通過(guò)CCS分離3.3兆噸二氧化碳
圖片來(lái)源：參考資料[2]
新技術(shù)原理與特點(diǎn)
在這項(xiàng)研究中，MIT科學(xué)家沒(méi)有使用傳統(tǒng)的“熱變化”或“壓力變化”吸收體，而是采用“電變化”（Electro-Swing）吸收器。由于電化學(xué)過(guò)程近乎等溫等壓，能極大地提升其能量利用效率。整個(gè)裝置的核心部件就是這個(gè)“電變化”吸收器。吸收器由三部分組成：兩片涂有能吸附二氧化碳的蒽醌聚合物納米管涂層的電極，中間是聚乙烯二茂鐵納米管復(fù)合材料制成的電極。在陰陽(yáng)極之間是絕緣材料。作者在論文發(fā)布后還在網(wǎng)上發(fā)布了裝置的介紹視頻。整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)如下圖：
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹 資料來(lái)源：參考資料[5]
接下來(lái)的內(nèi)容涉及大量化學(xué)，對(duì)化學(xué)有恐懼癥的小伙伴可以跳過(guò)。充電時(shí)，蒽醌上的兩個(gè)氧原子得電子，形成負(fù)電中心（或者說(shuō)使其具有足夠的路易斯堿強(qiáng)度），吸引二氧化碳中位于正電中心附近的碳原子，使醌羧酸化，捕獲二氧化碳。由于氮?dú)夂脱鯕舛疾痪邆溥@樣的路易斯酸強(qiáng)度，所以反應(yīng)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(yīng)速率越快，但能量損失更大，因此從能量的角度，應(yīng)該使充電電壓略大于反應(yīng)需要的電壓，在純氮?dú)鈼l件下大約是1.21V左右，隨二氧化碳濃度變化。
二氧化碳的捕獲 資料來(lái)源：參考資料[5]
這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)和難點(diǎn)在于電極材料的選擇和制作。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(yīng)速率，這對(duì)于從低濃度的二氧化碳源中捕獲二氧化碳尤為重要；最后，還需要良好的導(dǎo)電性，這一點(diǎn)通過(guò)聚蒽醌中的離域π鍵得以實(shí)現(xiàn)。
成本和儲(chǔ)能密度方面，作者沒(méi)有過(guò)多提及。不過(guò)可以猜的是，這項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性會(huì)好于原有的技術(shù)。一方面，電極沒(méi)有用到稀有金屬，所使用的蒽醌和二茂鐵也都實(shí)現(xiàn)了人工合成，成本不會(huì)太高。另一方面，這項(xiàng)技術(shù)既可以用于碳交易，用于電力負(fù)荷的削峰填谷，反應(yīng)過(guò)程不需要加熱或加壓，也節(jié)省了大量能源開支，捕獲的二氧化碳還可用于生產(chǎn)尿素等工業(yè)產(chǎn)品。不過(guò)，其儲(chǔ)能密度應(yīng)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(fā)生反應(yīng)的只有表面的一層聚蒽醌，能儲(chǔ)存的電量有限。由于捕獲二氧化碳終究需要能量，其單次循環(huán)效率不高。不過(guò)，這項(xiàng)技術(shù)最初就是作為碳捕獲技術(shù)而研究，其儲(chǔ)能的特性可以作為錦上添花。
目前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成立了一家名為Verdox的公司，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)。
參考資料：
1. Voskian S, Hatton T A. Faradaic Electro-Swing ReactiveAdsorption for CO2 Capture[J]. Energy & Environmental Science, 2019.
2. IPCC特別報(bào)告《二氧化碳捕獲和封存》，2005年
3.《IPCC 全球升溫 1.5oC 特別報(bào)告》，2018年
https://www.ipcc.ch/sr15/
4. 中華人民共和國(guó)商務(wù)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
