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[详解]上海科技大学林柏霖组Joule:新减排理论定量揭示二氧化碳化学还原助力减排深度规律

[详解]上海科技大学林柏霖组Joule:新减排理论定量揭示二氧化碳化学还原助力减排深度规律

前言:

温室气体排放导致全球变暖是人类发展所面临的重大危机。为了缓解这一危机,《巴黎气候协定》指出到2100年时,全球温度升幅需要控制在相对于第一次工业革命前的2℃以内。这要求全球大规模减少以二氧化碳为主的温室气体的排放。

         在此背景下,二氧化碳的化学还原制高附加值产品在国内外的研究中呈现出了井喷的态势。然而与学术界的持续升温形成强烈反差的是,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)和国际能源署(IEA)却因为全球高附加值产品整体规模的理论上限远低于减排所需量,将二氧化碳的化学还原排除在主要减排策略之外。鉴于为实现《巴黎气候协定》中各国政府一致设定的温控目标而估算出的碳排放配额很可能在2040年之前耗尽,二氧化碳化学还原作为一种受到广泛关注的技术手段,其在减排中的可能应用亟需系统的研究。

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本文亮点:

上海科技大学物质学院林柏霖课题组建立了二氧化碳减排新理论,创造性地用两个简单的公式来定量描述途径众多、过程复杂的二氧化碳减排过程,首次提供了简便系统的量化指标,可用于定量比较各种具有不同碳价态的二氧化碳电化学还原产物的本征减排能力,并定量推导出实现净负排放的前提条件,为利用化石能源或者低碳能源驱动的电化学固定二氧化碳法,实现大规模减排提供理论依据。

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图1: 用于量化二氧化碳电化学固定法的两个质量单位能量化方程

图文解析:

根据IPCC的统计,目前全球二氧化碳的年度排放量约为410亿吨,其主要来源是化石能源的燃烧,而美国能源情报署(EIA)的预测表明,化石能源的绝对燃烧量至少在2040年之前都将继续增长。化石能源在短时间内仍是全人类能使用的最大能量形式。然而“全球碳计划”(The Global Carbon Project)公布,为达成温控目标所估测的二氧化碳可供排放额度截至2016年仅剩约8000亿吨。据此,文章做出了如果不尽快采取大规模二氧化碳减排的措施,剩余的碳配额很有可能在大约20年内耗尽的判断。

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图2:需大规模二氧化碳减排的革新性策略

文章针对不同的减排策略,首次提出了 “减排效率”、“储存稳定性”和“经济成本”三个重要指标构成的“黄金三角形”概念,用于定性评判二氧化碳减排策略的可行性。文章对IEA等权威机构报导的数据进行深入分析,提出具有良好“储存稳定性”的二氧化碳的化学还原法除了可以用于生产高附加值的产品之外,还为实现大规模减排提供了二氧化碳固化(将二氧化碳转化为非气态产物)这一潜力巨大的策略,为二氧化碳的捕集和直接封存(CCS)的提供了一个有益的补充。

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图3:(A)评估减排策略的“黄金三角形”;(B)应用于二氧化碳的捕集和直接封存(Carbon Capture and Storage, CCS);(C)应用于二氧化碳化学固定(Chemical Fixation of CO2, CFC)。

作者以电化学还原二氧化碳(ERC)为例,提出对二氧化碳排放量和固定量进行质量单位能量化的概念,实现用两个简洁的公式对多种多样二氧化碳减排过程的质量和能量关系进行了统一描述。首先,基于二氧化碳还原和水氧化的全电池电解反应,得到不同还原产物对应的减排因子σ这一物理常数,σ与电池效率(CE)的乘积即可得到单位能量可以还原的二氧化碳质量W°ERC。减排因子由二氧化碳到还原产物的电子转移个数n和标准电池电势E°cell决定,直接反映ERC通过消耗单位能量的二氧化碳本征固定量,可用于定量比较各种具有不同碳价态的二氧化碳电化学固定产物的本征减排能力。定量计算表明,σ随还原过程电子转移个数n的增大而减小,且n的影响远大于E°cell

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图4:量化二氧化碳电化学还原的减排能力 (A)推导单位能量化的二氧化碳固定量(标准二氧化碳固定量W°ERC)计算公式;(B)还原产物对应的减排因子σ。

标准二氧化碳排放量W°CO2,emitted表示通过生命周期分析法计算出的各种化石能源发电技术单位发电量对应的二氧化碳排放量。通过比较单位能量化的二氧化碳固定量和排放量,可以直观地判断在理想情况下,化石能源驱动ERC得到特定还原产物是否有潜力实现二氧化碳净负排放。作者通过这种系统比较意外发现,将二氧化碳还原为较高碳价态的非气态产物(还原过程中较小的电子转移数n)的电化学过程存在利用化石能源实现二氧化碳减排的可能性。

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图5: 化石能源驱动二氧化碳电化学还原 (A) 各种化石能源发电技术单位能量化的二氧化碳排放量(标准二氧化碳排放量W°CO2,emitted):循环流化床发电(FB),亚临界燃煤发电(Sub),整体煤气化联合循环发电(IGCC),超临界燃煤发电(Super),天然气燃气轮机发电(NGCT),天然气联合循环发电(NGCC);(B)比较单位能量化的二氧化碳固定量σ和排放量W°CO2,emitted;(C)还原产物的相对能量随其平均碳价态的分布图,用于理解化石能源驱动ERC实现净负排放的可行性。 

 

作者接下来考虑电解质消耗、气体压缩、电解液循环等辅助操作以及基础设施建设造成的额外二氧化碳排放,引入单位能量化的质量修正因子δ,并获得定量计算减排效率η的简洁公式。文章分析指出,二氧化碳还原固化与制高附加值产品的最大不同在于产物的分离提纯,后者因为产物的分离提纯造成了大量的额外碳排放,而前者则避免了这一问题。对二氧化碳还原固化来讲,电解质消耗所造成的额外二氧化碳排放的比例最大,因此采用例如海水或者盐水溶液等低碳电解质来有效减小修正因子δ,是实现高减排效率的关键前提条件。

文章定量分析发电技术、还原产物、电池效率以及周边操作对减排效率η的影响,并以还原产物草酸为例,详细计算出了使用各种不同的电来实现净负排放的前提条件,给出了可行的技术路线。例如NGCC电力驱动ERC以60%的电池效率还原二氧化碳至草酸,最高可实现141%的减排效率。随着CE的提升,减排效率也会随之大幅提升至接近300%。化石能源驱动二氧化碳还原成草酸可以实现较高的净减排效率,并可以作为一种无毒固体被便捷地储存,甚至在需要时还可以作为大宗化工产品的生产原材料,是一种优良的固化产物。

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 图6:量化分析化石能源驱动二氧化碳电化学还原路径中各因素对减排效率的影响 (A-E)探究化石能源发电技术种类、还原产物、电池效率CE对减排效率η的影响(A)草酸;(B)一氧化碳;(C)甲酸;(D)乙二醛;(E)乙酸;(F)化石能源电力与ERC产物组合以实现负排放的电池效率CE范围;以上不考虑修正因子δ。(G)以ERC得到草酸为例,探究发电排放量、电池效率CE对周边操作的额外排放量δ的影响;(H)探究产物浓度、电解质浓度对周边操作的额外排放量的影响;(I)以ERC得到草酸为例,探究发电技术、电池效率等因素对减排效率的影响。

使用包括太阳能、风能在内的低碳能源将显著增大ERC的减排效率。低碳发电技术驱动ERC得到草酸为例,由于低碳电力排放量W°CO2,emitted和周边操作的额外排放量δ,相较于草酸的减排因子σ几乎可以忽略,极高的减排效率使电化学还原固定二氧化碳具有非常大的减排潜力。 

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图7、以低碳发电技术驱动ERC得到草酸为例,探究电池效率等因素对减排效率的影响。

单位能量化的二氧化碳排放量、固定量和两个质量单位能量化方程,还可用来方便地估算碳价格,为制定碳排放税和建立碳交易系统提供便利的支持。文章在这方面也做出了初步的定量计算。 

虽然太阳能和风能等低碳能源增长快速,温控目标的最终实现也离不开低碳能源的持续发展,但是其规模在近期尚不足以驱动二氧化碳还原来满足减排的需求。鉴于剩余碳配额的快速消耗,温控目标的达成很有可能无法等到低碳能源足够成熟之时。该研究首次从理论和规律上为二氧化碳化学固定这一减排策略在低碳能源之外,打开了化石能源这一扇大门,进而为低碳能源的成熟和发展,并最终实现温控目标创造更多的机会。 

《Joule》主要收录能源领域的高水平文章,涉及太阳能、电池和催化等相关研究。该论文中,上海科技大学物质学院2014级本科生陈安琪为第一作者,林柏霖教授为通讯作者,上科大为第一完成单位。《Joule》免费向公众开放本文全文。 

论文链接(可点击阅读原文):

“A Simple Framework for Quantifying Electrochemical CO2 Fixation”

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

 

论文通讯作者:林柏霖教授

课题组主页:http://spst.shanghaitech.edu.cn/people/93.html

第一作者:陈安琪


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