麻省理工学院开发了一种可控膜以将二氧化碳从废气流中拉出

时间：2022-05-17 11:25:05 来源：

右边是多孔阳极氧化铝膜。左侧涂有一层薄薄的金后显示了同一膜，使该膜对电化学气体门控具有导电性。

可电气开关的系统可以连续分离气体，而无需移动部件或浪费空间。

麻省理工学院化学工程师开发的新系统可以提供一种从废气流甚至空气中连续去除二氧化碳的方法。关键组件是电化学辅助膜，它的气体渗透性可以在不使用任何运动部件且相对较少的能量的情况下随意打开和关闭。

膜本身由阳极氧化铝制成，具有蜂窝状结构，由六角形开口组成，这些六角形开口在打开状态下允许气体分子流入和流出。然而，当电沉积一薄层金属以覆盖膜的孔时，可以阻止气体通过。T.艾伦·哈顿（T.Alan Hatton）教授，博士后刘亚元（Yayuan Liu）等四篇论文对这项工作进行了描述，并于2020年10月16日发表在《科学进展》杂志上。

该小组说，这种新的“气体门控”机制可以应用于从一系列工业废气流和周围空气中连续去除二氧化碳。他们建立了一个概念验证设备来展示此过程的实际效果。

该设备使用氧化还原活性碳吸收材料，夹在两个可切换的气体门控膜之间。吸附剂和门控膜彼此紧密接触，并浸入有机电解质中，以提供锌离子来回穿梭的介质。可以通过在两个门控膜之间切换电压极性来电动打开或关闭这两个门控膜，从而使锌离子从一侧穿梭到另一侧。离子通过在一侧上形成金属膜而同时阻塞一侧，而通过将其膜溶解掉而打开另一侧。

当吸附剂层向废气流过的一侧开放时，该材料很容易吸收二氧化碳，直到达到其容量为止。然后可以切换电压以阻断进料侧并打开另一侧，在此释放出几乎纯净的二氧化碳的浓流。

通过构建具有以相反相位运行的膜的交替部分的系统，该系统将允许在诸如工业洗涤器的环境中连续运行。在任何时候，一半的部分将吸收气体，而另一半则将其释放。

Hatton说：“这意味着您的进料流在一端进入系统，而产品流在另一端从表面流出。”“这种方法避免了许多过程问题”，这是传统的多柱系统所涉及的，在该系统中，吸附床交替需要关闭，吹扫然后再生，然后再次暴露于进料气以开始下一个吸附循环。在新系统中，不需要吹扫步骤，并且所有步骤都在设备内部干净地进行。

研究人员的关键创新是使用电镀来打开和关闭材料中的孔。在此过程中，研究小组尝试了多种其他方法可逆地封闭膜材料中的孔，例如使用可以定位为阻塞漏斗形开口的微小磁球，但这些其他方法并未证明足够有效。金属薄膜可以作为阻气层特别有效，并且在新系统中使用的超薄层需要的锌材料量最少，既丰富又便宜。

Liu说：“它可以用最少的材料制成非常均匀的涂层。”电镀方法的一个重要优点是，一旦条件发生变化，无论处于打开位置还是关闭位置，都无需输入能量即可维持该状态。只需要能量就可以再次切换回去。

这种系统有可能为限制温室气体向大气中的排放，甚至直接空气捕集已经排放的二氧化碳做出重要贡献。

哈顿说，尽管该团队最初的重点是从气流中分离二氧化碳的挑战，但该系统实际上可以适用于多种化学分离和纯化工艺。

“我们对门控机制感到非常兴奋。我认为我们可以在各种应用程序中以不同的配置使用它。”他说。“也许在微流控设备中，或者也许我们可以使用它来控制化学反应的气体成分。有很多不同的可能性。”

参考：刘亚元，周春满，凯瑟琳·菲利普斯，王iao，Sahag Voskian和T.Alan Hatton的“具有动态可控气体传输的电化学介导门控膜”，2020年10月16日，科学进展。DOI：
10.1126 / sciadv.abc1741

研究团队包括研究生Chun-Man Chow，博士后Katherine Phillips，以及刚毕业的Miao Wang博士’20和Sahag Voskian博士’19。埃克森美孚通过麻省理工学院的能源计划为这项工作提供了支持。

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