Green Carbon 创刊号 | 江雷院士、高军研究员和刘学丽副教授：废气发电—用纳流材料收集二氧化碳扩散产生的盐差能

英文原题：Nanofluidic Osmotic Power Generation from CO₂ with Cellulose Membranes

作者：Chang Chen, Xueli Liu*, Renxing Huang, Kuankuan Liu, Shanfa Pan, Junchao Lao, Qi Li, Jun Gao*, Lei Jiang

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背景介绍

Background

     不同浓度的离子溶液存在化学势差，在化学势推动下，离子从高盐度向低盐度区域扩散，这一扩散过程可以用来发电，称为盐差发电。近年来盐差发电已成为国际上一个热门研究领域，因为相较于太阳能、风能等新能源来说，盐差能对天气不敏感，不存在“削峰填谷”的需求，可以作为一种稳定的补充能源。

然而，从理论上说，除离子外，任何分子的扩散都可以产生能量，也因此都可以转换为电能。那么，如何利用分子扩散发电呢？最简单的方法就是把分子转化成离子，再使用常规的盐差能器件发电。在自然界中，二氧化碳是一种容易被转化成离子的常见分子，只要把它溶于水即可。而在现代工业中，废气中的高浓度二氧化碳无时无刻不在向空气扩散。我们把这些能量收集起来发电，就可以变废为宝，创造经济效益。这种发电可以提升能量利用效率，从而降低单位能量的碳排放。基于上述思考，中国科学院青岛生物能源与过程研究所、中国科学院理化技术研究所、青岛大学和复旦大学的团队在Green Carbon上发表标题为“Nanofluidic Osmotic Power Generation from CO₂ with Cellulose Membranes”的一篇研究文章，展示了一种利用二氧化碳排放的盐差发电方法。

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文章简介

Introduction

纳流纤维素膜的制备

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盐差发电需要具有离子选择性的纳流薄膜。为了制造膜，作者通过从天然木材中去除交织的木质素和半纤维素来提取纤维素纤维。这些纤维在膜中排列形成用于快速离子传输的直纳米流体通道。为了提高膜的离子选择性，作者将其进行氧化以及季铵盐化，得到高表面电荷密度的纤维素膜（图1）。

图1. 纳流体纤维素膜

使用带正电的纤维素膜收集电能

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为了测试废二氧化碳和空气混合的渗透发电，设计了图2所示的发电装置，向一个电解池注入二氧化碳气体，向另一个电解池注入空气，因此体系的化学势来源于两池HCO₃^-浓度差（由pH值计算得）。使用带季铵基的正电纤维素膜作为离子选择性膜进行能量收集，Ag/AgCl 参比电极施加扫描电压。为了获得高渗透功率密度，使用不同浓度的 KCl 溶液作为电解液吸收二氧化碳，产生87 mW/m²的功率密度。

图2. 使用带正电的纳流膜发电

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使用带负电的纤维素膜收集电能

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为了测试废二氧化碳和空气混合的渗透发电，设计了图3所示的发电装置，使用单乙醇胺（MEA）作为电解液吸收二氧化碳。在目前的碳捕集技术中，MEA是唯一商业使用的吸收剂。体系的化学势来源于MEAH⁺的浓度差。使用带羧基的负电纤维素膜作为离子选择性膜进行能量收集，Ag/AgCl 参比电极施加扫描电压，产生2.6 W/m²的功率密度。

图3. 使用带负电的纳流膜发电

利用废热提高发电功率密度

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在CO₂捕获过程中，MEA溶液在吸附CO₂后需要进行热再生。此外，在排放二氧化碳的工业过程中通常会释放废热。这种热能还可以用于纳米流体装置发电，从而提高渗透功率密度。

为了测试废热对渗透发电功率密度的影响，演示了使用室温（25°C）CO₂饱和MEA溶液和较高的温度（65°C）空气饱和 MEA 溶液（图 4）。使用带羧基的负电纤维素膜作为离子选择性膜进行能量收集，Ag/AgCl 参比电极施加扫描电压，产生16 W/m²的功率密度。

图4. 废热增强发电

总结与展望

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在这项工作中，作者展示了如何将二氧化碳排放释放的化学势能转换为电能，假设一座工厂每年排放 2000 万吨二氧化碳，则一套基于二氧化碳的发电系统可产生 86 GW的电力。这些电能可以降低工厂能耗。尤为重要的是，这一发电系统可以与现存二氧化碳捕集系统（MEA吸收）有效结合，提升发电功率密度，降低二氧化碳捕集的能耗；另外，可以利用废热增强发电实现废热能收集。这些都有助于碳中和技术的发展。

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作者

Authors

江雷

江雷，中国科学院院士，中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师，Green Carbon 期刊顾问委团队成员。江雷院士同时是发展中国家科学院院士、美国工程院外籍院士、澳大利亚科学院外籍院士、欧洲人文和自然科学院院士。江雷院士通过学习自然建立了超浸润界面材料及超浸润界面化学体系，引领并推动了该领域在全球的发展，成功实现了多项成果的技术转化。迄今已在Nature, Nature Nanotechnology, Nature Materials, Chemical Society Reviews, Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials等国际顶刊发表SCI论文800余篇，先后荣获2011年第三世界科学院化学奖，2013年何梁何利科学技术奖，2014年度中国科学院杰出科技成就奖，2014年美国材料学会奖，2016年联合国教科文组织纳米科技贡献奖，日经亚洲奖，2017年德国洪堡研究奖，2018年求是杰出科学家奖、纳米研究奖，2020年ACS Nano Lectureship Award，2022年陈嘉庚科学奖。

高军

高军研究员2014年毕业于中国科学院化学研究所，师从江雷研究员，现任中国科学院青岛生物能源与过程研究所（山东能源研究院）仿生能源界面技术研究中心课题组长，主要研究仿生离子传输及其在盐差能和石油增产领域应用，在Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition、Journal of the American Chemical Society、Proceedings of the National Academy of Sciences等期刊发表论文三十余篇，获中国科学院人才计划支持。刘学丽刘学丽博士2014年毕业于中国科学院化学研究所，师从江雷研究员，现任青岛大学材料学院副教授，主要从事仿生界面材料及其在水传输、废水处理及盐差能转换等领域研究，在Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials等期刊发表论文多篇。

相关论文信息

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论文信息

Chen C, Liu X, Huang R, et al. Nanofluidic Osmotic Power Generation from CO₂ with Cellulose Membranes[J]. Green Carbon, 2023.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2023.08.002

供稿：高军 研究员

（中国科学院青岛生物能源与过程研究所）

编辑：科学传播处

审核：科学传播处

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关于

Green Carbon

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Green Carbon（绿碳，ISSN 2950-1555）是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所创办、与科爱集团联合出版的开放获取英文学术期刊，聚焦绿色碳资源的开发与利用、化石碳资源的绿色转化与利用，排放碳资源的固定与利用，以及多尺度碳循环的分析与管理等主题，推动可持续发展领域的科技创新，为全球科研人员提供高质量的、开放的学术交流平台，服务于广大的化学和科学界。期刊将发表原创性研究论文、综述类文章、社论、简短通讯、观点和专题类文章。

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