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Seawater alkalization via an energy-efficient electrochemical process for CO 2 capture

海水 电化学 过程(计算) 环境科学 材料科学 化学 化学工程 海洋学 计算机科学 工程类 电极 地质学 操作系统 物理化学
作者
Xun Guan,Ge Zhang,Jinlei Li,Sang Cheol Kim,Guangxia Feng,Yuqi Li,Tony Cui,Adam Brest,Yi Cui
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (45)
标识
DOI:10.1073/pnas.2410841121
摘要

Electrochemical pH-swing strategies offer a promising avenue for cost-effective and energy-efficient carbon dioxide (CO 2 ) capture, surpassing the traditional thermally activated processes and humidity-sensitive techniques. The concept of elevating seawater’s alkalinity for scalable CO 2 capture without introducing additional chemical as reactant is particularly intriguing due to its minimal environmental impact. However, current commercial plants like chlor-alkali process or water electrolysis demand high thermodynamic voltages of 2.2 V and 1.23 V, respectively, for the production of sodium hydroxide (NaOH) from seawater. These high voltages are attributed to the asymmetric electrochemical reactions, where two completely different reactions take place at the anode and cathode. Here, we developed a symmetric electrochemical system for seawater alkalization based on a highly reversible and identical reaction taking place at the anode and cathode. We utilize hydrogen evolution reaction at the cathode, where the generated hydrogen is looped to the anode for hydrogen oxidation reaction. Theoretical calculations indicate an impressively low energy requirement ranging from 0.07 to 0.53 kWh/kg NaOH for established pH differences of 1.7 to 13.4. Experimentally, we achieved the alkalization with an energy consumption of 0.63 kWh/kg NaOH, which is only 38% of the theoretical energy requirements of the chlor-alkali process (1.64 kWh/kg NaOH). Further tests demonstrated the system’s potential of enduring high current densities (~20 mA/cm 2 ) and operating stability over an extended period (>110 h), showing its potential for future applications. Notably, the CO 2 adsorption tests performed with alkalized seawater exhibited remarkably improved CO 2 capture dictated by the production of hydroxide compared to the pristine seawater.
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