研究实验室新闻

埃纳特。研究实验室新闻
鉴于我们目前面临的迫在眉睫的气候危机，寻找可行的解决方案来减轻二氧化碳排放的有害影响至关重要。 在这种背景下，通过地质碳捕获和封存（CCS）捕获二氧化碳并将其泵入地下深处似乎是实现碳中和目标的重要解决方案。 二氧化碳地质封存的经典方法是超临界形式，其中二氧化碳被密集压缩，每年可以封存数百万吨二氧化碳。 然而，就技术和经济可行性（储层的选择、储存的耐久性、密封性、将二氧化碳运输到注入地点）而言，这是一个复杂的过程，不一定适合仅排放少量二氧化碳的设施。 气体。 此外，确保二氧化碳与大气保持良好分离也绝非易事。

现在（2023 年），桑迪亚国家实验室的科学家们在实验室条件下设计并测试了一种设备，该设备利用定期向钻孔中泵入二氧化碳所产生的温差来为电池充电。 热量从热土流经设备流向较冷的二氧化碳，产生电压，可用于为电池充电并最终为传感器供电。 桑迪亚开发的设备的功能与用于为美国宇航局太空探测器和火星漫游车提供动力的放射性同位素热电发电机类似。 它形成一个多层管，由一系列 1 x 1 英寸方形热电发生器组成，可以将流经它们的热量转换为电压，然后转换为电能。 内管具有弹性，可以承受泵入二氧化碳的温度和压力，而外管能够承受地下深处的温度和压力。 电子设备位于外管和内管之间的区域，用于捕获和转换来自热电发电机的电压以给电池充电。

此外，还设计了一块小电路板，其目的是转换和调节发电机的能量，以便可以在不损坏浪涌的情况下为电池充电。 我们面临的挑战是找到能够在 71 摄氏度以上工作的电池，这是井下用于碳封存的典型温度。

使用最初的一英尺长原型在实验室中测试了发电能力。 此外，热成像和计算机建模有助于了解当热或冷流体流过设备时，设备周围的温度如何变化。 建模和测试在完善现场测试原型方面发挥了重要作用。

在第二个原型中，该团队进行了多项改进，以确保热电发电机与内壳和外壳良好接触，并且热量无法通过设备的其余部分在发电机周围走捷径。 对于现场测试原型，在设备周围添加了热绝缘体，并更换了将热电发电机与弹簧夹固定在一起的热路金属螺钉。

在第一次现场测试中，原型被插入一个浅钻孔，深度约为 19 米。 然后将 170 度的水泵入装置的内管，以测试热电发电机和系统。 在测试过程中，设备发生泄漏，损坏了电源调节板和电池。 然而，第二次测试是第一次测试的重复，取得了成功。 最后，还测试了现场原型机在高压环境下生存的能力。 400倍大气压的压力作用在装置的内壳上，34倍大气压的压力作用在装置的外壳上。 压力室内的设备被加热，并测量热电发电机的电流，确保它们在压力下工作。

科学家们长期以来一直试图减少碳氢化合物生产过程中有害的二氧化碳排放。 2020 年，他们设计了一种绿色碳捕获和转化技术，为减少二氧化碳排放提供了可扩展性和经济可行性。 镓液态金属的悬浮液被用来在接近室温下将二氧化碳还原成碳质固体产物和氧气。 液体镓界面的非极性性质导致固体产物立即剥落并保持活性位点可接近。 银镓棒的固体共同贡献者实现了循环可持续过程。 使用机械能作为输入，驱动纳米尺寸的摩擦电化学反应。 还发现，通过改变辅助溶剂和改变反应器高度，可以改变溶解和转化效率。 如果使用质量比为 7:1 的镓/氟化银混合物作为反应材料，则最佳反应器高度为 27 cm。 当 CO2 输入约为 8 sccm 时

Image: Schematics and Raman spectra of solid carbon produced from CO₂ using liquid metal. a-d, Schematic illustrations for the preparation of a suspension of catalyst (a,b) and the CO₂ reduction process using different mechanical energy inputs (c,d). e, Schematic illustration of the formation and detachment of carbon flakes on the surface of Ga droplets in the presence of the solid rods. f-k, Raman spectra of the samples obtained from the reaction mixes of Ga with different silver salts as precursors in DMF: AgF (f, versus time), AgCl (g), AgBr (h), AgI (i), AgOTf (j) and AgNO3 (k). The D and G bands at 1350 and 1600 cm^-1, respectively, emerged after the reactions occur. l,m, Raman spectra (versus time) from the surface of mixtures from the 10-times diluted reaction system (Ga and AgF mix) by employing DMF (l) and DMF+ETA (m) as the reaction solutions. The blue and red curves in f-m are Raman spectra for the samples before and after reaction, respectively



Source: Junma Tang, Jianbo Tang, Mohannad Mayyas, Mohammad Bagher Ghasemian/ Mechanical energy-induced CO₂ conversion using liquid metals/ University of New South Wales, November 2020/ DOI:10.21203/rs.3.rs-112257/v1/ Open Source This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

2023 年，科学家们构建了一个电化学转换系统，该系统由质子-碳酸氢盐-CO2 传质管理和原位铜 (Cu) 活化策略组成，以在高电流下实现高 CH4 选择性。 科学家们发现，开放矩阵铜电极通过结合溶解的二氧化碳和碳酸氢盐原位产生的二氧化碳，保留了足够的局部二氧化碳浓度。 通过交流电操作实现了原位 Cu 活化，并使催化剂对 CH4 具有高选择性。 结合这些策略，CH4 法拉第效率在宽电流密度范围（100 – 750 mA cm⁻²）内实现了超过 70%，并且在 500 mA cm⁻² 的电流密度下稳定至少 12 小时。 该系统还在气体产品流中输送了 23.5% 的 CH4 浓度。

Image: Modeling reaction environment and CO₂ availability a Schematic illustration of the aqueous solution-fed ECR system using porous Cu cathode, Ni foam anode and bipolar membrane (BPM). b Schematic of modeled domain with key physics annotated. c CO₂ flux components at three current densities, 250, 500, and 750 mA cm⁻² for dense matrix and open matrix catalysts with N₂ sparging or CO₂ sparging. 0.3 M KHCO₃ was used as an electrolyte for all modeling. d Modeled CH₄ FE as a function of current density for a dense matrix catalyst (solid lines) and open matrix catalyst (dashed lines) with CO2 sparging and N₂ sparging



Source: Cornelius A. Obasanjo, Guorui Gao, Jackson Crane, Viktoria Golovanova/ High-rate and selective conversion of CO₂ from aqueous solutions to hydrocarbons/ Nature Communications 14(1), June 2023/ DOI:10.1038/s41467-023-38963-y/ Open Source This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

该设备有几个潜在的优势：在美国宇航局的放射性同位素热电发电机中，利用热钚颗粒和太空寒冷的温差来发电。 桑迪亚的热电发电机装置利用了地下热地球的温差和被抽出的二氧化碳。 尽管该技术的发电效率不如汽车内燃机，但其最大的优点是没有可能卡住的运动部件，这使得它适用于太空和深井等难以到达的地方 。 最终，科学家们成功地产生了足够的电流，以有限的电流消耗为井下传感器供电。

未来的计划包括更长时间地测试该设备。 为此，需要更多的内存，并且必须重建电源调节板，以便它可以在更高的温差下运行。 此外，还需要添加一个二极管，以便无论热流体还是冷流体流过设备，电路板都可以为电池充电。 此外，井下传感器研究人员需要确保电源调节板能够为传感器提供正确的电源。 如果成功，一种减轻生产过程中释放的二氧化碳有害影响的有用装置可能有助于拯救气候。

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