2024-11-06 | 科研部 南科大机械系林蒙团队在直接空气碳捕集与同步燃料合成领域取得新进展

近日，南方科技大学机械与能源工程系助理教授、副研究员林蒙课题组在直接空气碳捕集（DAC）与同步转化制甲烷（CH₄）方面取得新进展，相关成果以“A hybrid electro-thermochemical device for methane production from the air”为题，在Nature Communications期刊上在线发表。本研究设计了电化学-热化学耦的合碳捕集与转化装置，能够直接从空气中捕获二氧化碳（CO₂）并生产CH₄。该装置通过双极膜电渗析模块实现CO₂与氢气（H₂）的共产，并通过热化学甲烷化反应将CO₂转化为CH₄。

图1.从空气中生产CH₄的混合电-热化学装置原理图

该装置的优势是：(1) 相较于单独的DAC和H₂制备装置，该电池结构更加简化，可同时实现DAC和H₂制备；（2）H₂和CO₂在同一个腔室内释放，可有效降低CO₂分压，提升CO₂捕获效率，避免了真空辅助气体剥离装置的使用，从而降低成本；（3）H₂和CO₂的比例可精确调控（例如：H₂ : CO₂ = 4 : 1），可直接用于后续的甲烷化反应。

图2. 通过双极膜电渗析模块实现CO₂与H₂的共产，并通过热化学甲烷化反应将CO₂转化为CH₄

此外，该研究还进行了长时间的系统稳定性验证以及真实的DAC与同步制甲烷验证实验，系统性地论证了将空气中的CO₂捕获并同步转化为甲烷的可行性。概念验证实验表明，CO₂释放和H₂生产的能量消耗分别为704.0 kJ mol⁻¹和967.4 kJ mol⁻¹，随后的甲烷化实现了97.3%的CO₂转化效率和5206.4 kJ mol⁻¹的CH₄生产能耗。将空气中的CO₂捕获并转化为甲烷进行燃料储能，既是一种应对气候变化的创新手段，也是能源储存、经济发展和减少化石能源依赖的有效途径。

机械与能源工程系访问学生黄耀炜为第一作者，机械与能源工程系博士生徐达为第二作者，林蒙和天津大学邓帅教授为论文共同通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。此项研究得到了国家自然科学基金，广东省基础与应用基础研究基金会、深圳市科技创新局以及南科大计算科学与工程中心的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53336-9 

供稿：机械与能源工程系

通讯员：李新月

主图：丘妍

编辑：周易霖