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            [詳解]上??萍即髮W林柏霖組Joule:新減排理論定量揭示二氧化碳化學還原助力減排深度規律

            [詳解]上??萍即髮W林柏霖組Joule:新減排理論定量揭示二氧化碳化學還原助力減排深度規律

            前言:

            溫室氣體排放導致全球變暖是人類發展所面臨的重大危機。為了緩解這一危機,《巴黎氣候協定》指出到2100年時,全球溫度升幅需要控制在相對于第一次工業革命前的2℃以內。這要求全球大規模減少以二氧化碳為主的溫室氣體的排放。

            ???????? 在此背景下,二氧化碳的化學還原制高附加值產品在國內外的研究中呈現出了井噴的態勢。然而與學術界的持續升溫形成強烈反差的是,聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)和國際能源署(IEA)卻因為全球高附加值產品整體規模的理論上限遠低于減排所需量,將二氧化碳的化學還原排除在主要減排策略之外。鑒于為實現《巴黎氣候協定》中各國政府一致設定的溫控目標而估算出的碳排放配額很可能在2040年之前耗盡,二氧化碳化學還原作為一種受到廣泛關注的技術手段,其在減排中的可能應用亟需系統的研究。

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            本文亮點:

            上??萍即髮W物質學院林柏霖課題組建立了二氧化碳減排新理論,創造性地用兩個簡單的公式來定量描述途徑眾多、過程復雜的二氧化碳減排過程,首次提供了簡便系統的量化指標,可用于定量比較各種具有不同碳價態的二氧化碳電化學還原產物的本征減排能力,并定量推導出實現凈負排放的前提條件,為利用化石能源或者低碳能源驅動的電化學固定二氧化碳法,實現大規模減排提供理論依據。

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            圖1: 用于量化二氧化碳電化學固定法的兩個質量單位能量化方程

            圖文解析:

            根據IPCC的統計,目前全球二氧化碳的年度排放量約為410億噸,其主要來源是化石能源的燃燒,而美國能源情報署(EIA)的預測表明,化石能源的絕對燃燒量至少在2040年之前都將繼續增長?;茉丛诙虝r間內仍是全人類能使用的最大能量形式。然而“全球碳計劃”(The Global Carbon Project)公布,為達成溫控目標所估測的二氧化碳可供排放額度截至2016年僅剩約8000億噸。據此,文章做出了如果不盡快采取大規模二氧化碳減排的措施,剩余的碳配額很有可能在大約20年內耗盡的判斷。

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            圖2:需大規模二氧化碳減排的革新性策略

            文章針對不同的減排策略,首次提出了 “減排效率”、“儲存穩定性”和“經濟成本”三個重要指標構成的“黃金三角形”概念,用于定性評判二氧化碳減排策略的可行性。文章對IEA等權威機構報導的數據進行深入分析,提出具有良好“儲存穩定性”的二氧化碳的化學還原法除了可以用于生產高附加值的產品之外,還為實現大規模減排提供了二氧化碳固化(將二氧化碳轉化為非氣態產物)這一潛力巨大的策略,為二氧化碳的捕集和直接封存(CCS)的提供了一個有益的補充。

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            圖3:(A)評估減排策略的“黃金三角形”;(B)應用于二氧化碳的捕集和直接封存(Carbon Capture and Storage, CCS);(C)應用于二氧化碳化學固定(Chemical Fixation of CO2, CFC)。

            作者以電化學還原二氧化碳(ERC)為例,提出對二氧化碳排放量和固定量進行質量單位能量化的概念,實現用兩個簡潔的公式對多種多樣二氧化碳減排過程的質量和能量關系進行了統一描述。首先,基于二氧化碳還原和水氧化的全電池電解反應,得到不同還原產物對應的減排因子σ這一物理常數,σ與電池效率(CE)的乘積即可得到單位能量可以還原的二氧化碳質量W°ERC。減排因子由二氧化碳到還原產物的電子轉移個數n和標準電池電勢E°cell決定,直接反映ERC通過消耗單位能量的二氧化碳本征固定量,可用于定量比較各種具有不同碳價態的二氧化碳電化學固定產物的本征減排能力。定量計算表明,σ隨還原過程電子轉移個數n的增大而減小,且n的影響遠大于E°cell。

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            圖4:量化二氧化碳電化學還原的減排能力 (A)推導單位能量化的二氧化碳固定量(標準二氧化碳固定量W°ERC)計算公式;(B)還原產物對應的減排因子σ。

            標準二氧化碳排放量W°CO2,emitted表示通過生命周期分析法計算出的各種化石能源發電技術單位發電量對應的二氧化碳排放量。通過比較單位能量化的二氧化碳固定量和排放量,可以直觀地判斷在理想情況下,化石能源驅動ERC得到特定還原產物是否有潛力實現二氧化碳凈負排放。作者通過這種系統比較意外發現,將二氧化碳還原為較高碳價態的非氣態產物(還原過程中較小的電子轉移數n)的電化學過程存在利用化石能源實現二氧化碳減排的可能性。

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            圖5: 化石能源驅動二氧化碳電化學還原 (A) 各種化石能源發電技術單位能量化的二氧化碳排放量(標準二氧化碳排放量W°CO2,emitted):循環流化床發電(FB),亞臨界燃煤發電(Sub),整體煤氣化聯合循環發電(IGCC),超臨界燃煤發電(Super),天然氣燃氣輪機發電(NGCT),天然氣聯合循環發電(NGCC);(B)比較單位能量化的二氧化碳固定量σ和排放量W°CO2,emitted;(C)還原產物的相對能量隨其平均碳價態的分布圖,用于理解化石能源驅動ERC實現凈負排放的可行性。?

             

            作者接下來考慮電解質消耗、氣體壓縮、電解液循環等輔助操作以及基礎設施建設造成的額外二氧化碳排放,引入單位能量化的質量修正因子δ,并獲得定量計算減排效率η的簡潔公式。文章分析指出,二氧化碳還原固化與制高附加值產品的最大不同在于產物的分離提純,后者因為產物的分離提純造成了大量的額外碳排放,而前者則避免了這一問題。對二氧化碳還原固化來講,電解質消耗所造成的額外二氧化碳排放的比例最大,因此采用例如海水或者鹽水溶液等低碳電解質來有效減小修正因子δ,是實現高減排效率的關鍵前提條件。

            文章定量分析發電技術、還原產物、電池效率以及周邊操作對減排效率η的影響,并以還原產物草酸為例,詳細計算出了使用各種不同的電來實現凈負排放的前提條件,給出了可行的技術路線。例如NGCC電力驅動ERC以60%的電池效率還原二氧化碳至草酸,最高可實現141%的減排效率。隨著CE的提升,減排效率也會隨之大幅提升至接近300%?;茉打寗佣趸歼€原成草酸可以實現較高的凈減排效率,并可以作為一種無毒固體被便捷地儲存,甚至在需要時還可以作為大宗化工產品的生產原材料,是一種優良的固化產物。

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            ?圖6:量化分析化石能源驅動二氧化碳電化學還原路徑中各因素對減排效率的影響 (A-E)探究化石能源發電技術種類、還原產物、電池效率CE對減排效率η的影響(A)草酸;(B)一氧化碳;(C)甲酸;(D)乙二醛;(E)乙酸;(F)化石能源電力與ERC產物組合以實現負排放的電池效率CE范圍;以上不考慮修正因子δ。(G)以ERC得到草酸為例,探究發電排放量、電池效率CE對周邊操作的額外排放量δ的影響;(H)探究產物濃度、電解質濃度對周邊操作的額外排放量的影響;(I)以ERC得到草酸為例,探究發電技術、電池效率等因素對減排效率的影響。

            使用包括太陽能、風能在內的低碳能源將顯著增大ERC的減排效率。低碳發電技術驅動ERC得到草酸為例,由于低碳電力排放量W°CO2,emitted和周邊操作的額外排放量δ,相較于草酸的減排因子σ幾乎可以忽略,極高的減排效率使電化學還原固定二氧化碳具有非常大的減排潛力。?

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            圖7、以低碳發電技術驅動ERC得到草酸為例,探究電池效率等因素對減排效率的影響。

            單位能量化的二氧化碳排放量、固定量和兩個質量單位能量化方程,還可用來方便地估算碳價格,為制定碳排放稅和建立碳交易系統提供便利的支持。文章在這方面也做出了初步的定量計算。?

            雖然太陽能和風能等低碳能源增長快速,溫控目標的最終實現也離不開低碳能源的持續發展,但是其規模在近期尚不足以驅動二氧化碳還原來滿足減排的需求。鑒于剩余碳配額的快速消耗,溫控目標的達成很有可能無法等到低碳能源足夠成熟之時。該研究首次從理論和規律上為二氧化碳化學固定這一減排策略在低碳能源之外,打開了化石能源這一扇大門,進而為低碳能源的成熟和發展,并最終實現溫控目標創造更多的機會。?

            《Joule》主要收錄能源領域的高水平文章,涉及太陽能、電池和催化等相關研究。該論文中,上??萍即髮W物質學院2014級本科生陳安琪為第一作者,林柏霖教授為通訊作者,上科大為第一完成單位?!禞oule》免費向公眾開放本文全文。?

            論文鏈接(可點擊閱讀原文):

            “A Simple Framework for Quantifying Electrochemical CO2 Fixation”

            http://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30049-7

             

            論文通訊作者:林柏霖教授

            課題組主頁:http://spst.shanghaitech.edu.cn/people/93.html

            第一作者:陳安琪


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