特拉華大學的工程師們已經展示了一種方法，使用由氫氣驅動的新型電化學系統有效地從空氣中捕獲99%的二氧化碳。這是捕獲二氧化碳技術的一個重大進展，並可能使更多環境友好型燃料電池接近市場。
由特拉華大學教授嚴玉山領導的研究小組於2月3日在《自然-能源》上報告了他們的方法。
改變燃料電池效率的技術
燃料電池的工作原理是將燃料化學能直接轉化為電能。它們可以被用於交通領域，如混合動力或零排放車輛。
Henry Belin du Pont化學和生物分子工程系主任嚴玉山在一段時間內一直致力於改進氫氧交換膜（HEM）燃料電池，這是一種經濟和環保的替代目前使用的傳統酸基燃料電池的方法。
但是HEM燃料電池有一個缺點，使它們無法上路–它們對空氣中的二氧化碳極為敏感。這一缺陷迅速降低了燃料電池的性能和效率達20%，使燃料電池不比汽油發動機好。15年來，嚴玉山的研究小組一直在尋找解決這一二氧化碳難題的方法。
幾年前，研究人員意識到這個缺點實際上可能是一個解決方案–用於清除二氧化碳。化學和生物分子工程研究助理教授、論文合著者Brian Setzler說：“一旦我們深入研究這一機制，我們發現燃料電池正在捕捉進入它們的每一點二氧化碳，而且它們真的很擅長將其分離到另一邊。”
雖然這對燃料電池來說不是好事，但研究小組知道，如果他們能在燃料電池堆上游的一個獨立設備中利用這種內置的“自我凈化”過程，他們就能把它變成一個二氧化碳分離器。
“事實證明，我們的方法是非常有效的。如果我們有正確的設計和正確的配置，我們可以一次性捕獲空氣中99%的二氧化碳，”嚴玉山說。
那麼，他們是如何做到的呢？他們找到了一種方法，將電化學技術的電源嵌入分離膜內。這種方法涉及到設備的內部短路。
“這很有風險，但我們設法通過氫氣來控制這個短路的燃料電池。通過使用這種內部電短路的膜，我們能夠擺脫笨重的部件，如雙極板、集電器或通常在燃料電池堆中發現的任何電線，”博士生和該論文的主要作者林石說。
現在，研究小組有了一個電化學裝置，它看起來像一個用於分離氣體的普通過濾膜，但又能像一個更複雜的電化學系統一樣從空氣中持續收集微量的二氧化碳。
實際上，將該裝置的電線嵌入膜內創造了一條捷徑，使二氧化碳顆粒更容易從一側移動到另一側。它還使研究小組能夠建造一個緊湊的螺旋形模塊，在較小的體積內擁有較大的表面積。換句話說，他們現在有了一個更小的封裝，能夠一次過濾更多的空氣，使其在燃料電池應用中既有效又具有成本效益。同時，更少的組件意味着更少的成本，更重要的是，提供了一種為市場輕鬆擴大規模的方法。
研究小組的結果顯示，一個尺寸為2×2英寸的電化學電池可以持續去除空氣中約99%的二氧化碳。研究人員說，一個大約12盎司汽水罐大小的早期原型螺旋裝置能夠每分鐘過濾10升空氣，並清除98%的二氧化碳。
Setzer說，按照汽車應用的比例，該裝置將大約有一加侖牛奶那麼大，但該裝置也可用於清除其他地方的二氧化碳。例如，特拉華大學的專利技術可以使航天器或潛艇中更輕、更有效的二氧化碳清除裝置成為可能，因為在這些地方持續過濾是至關重要的。
Setzler說：“我們有一些長期路線圖的想法，可以真正幫助我們達到目的。”
據研究人員說，由於該電化學系統是由氫氣驅動的，隨着氫氣經濟的發展，這種電化學裝置也可用于飛機和建築物，在那裡空氣再循環被視為一種節能措施。