范會峰, 吳小梅, 劉廣鑫, Maimoona Sharif, 余云松, 張早校

電化學(xué)介導(dǎo)胺再生CO2捕集系統(tǒng)電化學(xué)性能研究

范會峰1,2, 吳小梅1, 劉廣鑫1, Maimoona Sharif1,2, 余云松1, 張早校1,2

(1. 西安交通大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710049;2. 西安交通大學(xué) 動力工程多相流國家重點實驗室, 陜西 西安 710049)

二氧化碳(CO2)捕集是實現(xiàn)我國碳中和目標(biāo)的重要手段。電化學(xué)介導(dǎo)胺再生(EMAR)CO2捕集系統(tǒng)是一種極具應(yīng)用前景的碳捕集技術(shù)。為了進(jìn)一步研究EMAR的電化學(xué)性能，利用H型電解池，對以乙醇胺(MEA)溶液為吸收劑，銅離子為金屬配體的體系開展電化學(xué)行為研究。結(jié)果表明：陰極和陽極反應(yīng)均是分步進(jìn)行的，且均由擴散和電荷傳遞共同控制，陰極過程更緩慢，是系統(tǒng)的控制步驟。同時，增大陰陽極之間配合物濃度差，在較低陽極配合物濃度和較高陰極配合物濃度的情況下，更有利于系統(tǒng)反應(yīng)的進(jìn)行。研究結(jié)果有望為EMAR CO2捕集技術(shù)的放大研究和實際應(yīng)用提供一定的理論支撐。

二氧化碳捕集；電化學(xué)介導(dǎo)胺再生；H型電解池；電化學(xué)性能

1 前 言

二氧化碳的捕集和封存(carbon dioxide capture and storage, CCS)是實現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)非常重要的技術(shù)手段[1]。以醇胺溶液為吸收劑的化學(xué)吸收法被認(rèn)為是目前最為成熟、最可能實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的CO2捕集方法之一[2-3]。但是，醇胺溶劑再生過程中的高能耗(每噸CO2耗能3.5～4.0 GJ)，限制了其工業(yè)規(guī)模推廣應(yīng)用[4]。電化學(xué)介導(dǎo)分離技術(shù)與化學(xué)吸收法CO2捕集技術(shù)的高效結(jié)合，為克服以上問題提供了新的技術(shù)路線。Jemaa等[5]、Appel等[6]利用電化學(xué)介導(dǎo)分離技術(shù)，設(shè)計了一種連續(xù)的電化學(xué)媒介配位過程用以提取雜環(huán)氮化物，并揭示了該方法用于輸運CO2、CO和H2S的可行性。后有研究發(fā)現(xiàn)Cu(II)可以與胺形成具有較大穩(wěn)定常數(shù)的絡(luò)合物[7-8]，與CO2和胺生成碳酸鹽或氨基甲酸酯的過程形成競爭關(guān)系，同時Cu(II)的加入可以降低胺液的揮發(fā)損失，并可以作為催化劑加速CO2的解吸[9-10]。于是，Tern和Wang等提出了一種基于Cu(II)與乙二胺(ethanediamine, EDA)的電化學(xué)介導(dǎo)胺再生(electrochemically-mediated amine regeneration, EMAR) 系統(tǒng)，證明了該方法的可行性[11-13]。Cheng等[14]針對Cu(II)與乙醇胺(monoethanolamine, MEA)形成絡(luò)合物的相關(guān)反應(yīng)過程建立了熱力學(xué)模型。Liu等[15]基于EMAR系統(tǒng)，提出了一種熱電共驅(qū)CO2捕集系統(tǒng)(thermal–electrochemical co-driven system, TECS)，研究了Cu(II)-MEA配合物濃度、溫度、CO2負(fù)荷和支持電解質(zhì)(KNO3)濃度對TECS電化學(xué)行為的影響，結(jié)果顯示胺再生能耗降低至每噸CO2約1.3 GJ，并具有90% 以上的解吸率。由此可見電化學(xué)介導(dǎo)的CO2捕集技術(shù)在CO2捕集方面所展現(xiàn)出來的潛力不容忽視。

作為一種新型的CO2捕集技術(shù)，盡管研究者們對其進(jìn)行了一些研究，仍缺乏對原理的深入探討，對于在實際應(yīng)用中的變量分析仍有待考究。本研究重點關(guān)注以MEA為吸收劑，Cu(II)為配位金屬的電化學(xué)介導(dǎo)胺再生捕集CO2過程，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，結(jié)合實際應(yīng)用條件，利用H型電解池設(shè)計電化學(xué)測試實驗，對不同操作條件下的EMAR電化學(xué)動力學(xué)特征進(jìn)行深入探討；研究陰陽極反應(yīng)機理，理清Cu(II)的加入對以MEA溶液為基礎(chǔ)的CO2捕集過程電化學(xué)行為的影響機制，為該技術(shù)的理論及放大應(yīng)用提供參考。

2 EMAR原理

以MEA為吸收劑，Cu為工作介質(zhì)的電化學(xué)介導(dǎo)胺再生系統(tǒng)工作過程如圖1所示。

工作過程可以分為2部分：CO2吸收部分和解吸部分。吸收部分與傳統(tǒng)吸收操作相同，在常壓下煙氣與吸收液在吸收塔內(nèi)逆流接觸，吸收CO2后的煙氣從吸收塔塔頂排出，吸收CO2后的吸收液成為CO2富液，進(jìn)入解吸過程。解吸過程中利用電化學(xué)介導(dǎo)胺再生的方法，與傳統(tǒng)熱解吸相比，電化學(xué)介導(dǎo)的解吸過程可以在較高壓力下進(jìn)行，進(jìn)而有望減少后續(xù)壓縮過程中的能耗。在一定電壓下陽極銅溶解進(jìn)入溶液取代CO2與MEA配位，此時解吸出的CO2與電解質(zhì)溶液共存，形成高壓氣液混合物，接著陽極液進(jìn)入閃蒸罐。由于壓力變化，溶液中CO2與電解質(zhì)溶液發(fā)生分離，分離后CO2氣體進(jìn)入后續(xù)壓縮運輸環(huán)節(jié)，Cu(II)-MEA配合物溶液進(jìn)入陰極槽析出銅后實現(xiàn)溶劑再生，再生后的MEA溶液可以回流入吸收塔再次參與CO2吸收，進(jìn)而實現(xiàn)吸收-解吸循環(huán)。

圖1 電化學(xué)介導(dǎo)胺再生系統(tǒng)工作過程圖

1.absorption column 2.flash tank 3.Cathode 4.membrane 5.anode

分析可得該循環(huán)可由以下3個反應(yīng)過程表示，分別發(fā)生在吸收塔內(nèi)、陽極槽和陰極槽。

式中：為一個銅離子結(jié)合胺分子的數(shù)目，在文獻(xiàn)[15]中研究者通過實驗證明值約為2.6，并得出Cu-MEA配合物結(jié)構(gòu)為[Cu(MEA)2?2H(OH)2]和[Cu(MEA)3]2+的結(jié)論。

在實際工作過程中，陰陽極Cu(II)-MEA配合物濃度都會隨著系統(tǒng)的運行而發(fā)生變化。但在以往的研究中，為研究電化學(xué)反應(yīng)機理及反應(yīng)狀況，研究者往往將陰極和陽極置于同一電解池內(nèi)，或?qū)㈥帢O和陽極分開，但兩側(cè)溶液仍為同等負(fù)荷的溶液，電化學(xué)測試時也未單獨考慮陰極槽和陽極槽內(nèi)各自的電化學(xué)情況，這與實際應(yīng)用場景有很大差異。同時銅金屬本身可作為CO2電化學(xué)還原催化劑，可在水溶性電解質(zhì)溶液中將CO2還原成CO、HCOOH、CH4、C2H6、C2H4及含氧碳?xì)浠衔?醇類)等不同的還原產(chǎn)物[16]，對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。為更加貼合實際工況，本研究設(shè)計了H型電解池實驗，將陽極區(qū)和陰極區(qū)用膜隔開，防止陽極區(qū)生成的CO2進(jìn)入陰極區(qū)，在陰極銅電極表面發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)，減小副反應(yīng)發(fā)生的可能性，進(jìn)而分別對含不同Cu(II)-MEA配合物濃度溶液的陰陽極的電化學(xué)性能進(jìn)行研究。

3 實 驗

3.1 材料與溶液制備

實驗中陰陽極材料均為紫銅，牌號為GB T2(ASTM C11000, ISO Cu-FRHC)，其組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為Cu+Ag≥99.90%，Bi≤0.001%，Sb≤0.002%，As≤0.002%，F(xiàn)e≤0.005%，Pb≤0.005%，S≤0.005%。硝酸銅水合物(Cu(NO3)2×3H2O，分析純AR)和硝酸鉀(KNO3，AR)作為添加介質(zhì)。首先，硝酸鹽為強電解質(zhì)，在溶液中可完全電離增強溶液導(dǎo)電性；其次，硝酸根可作為輔助配體參與配位，形成[Cu(MEA)2](NO3)2×4H2O，減小電荷傳遞阻抗[17]；另外，Cu(II)在硝酸鹽作為支持電解質(zhì)中可直接還原為Cu，且反應(yīng)速度較快[15]。

電解質(zhì)溶液的制備：首先用去離子水和MEA(AR)制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30% 的MEA水溶液。然后，基于設(shè)計的Cu(II)負(fù)荷，加入一定量的硝酸銅水合物(Cu(NO3)2×3H2O，AR)以產(chǎn)生二價銅離子，得到特定負(fù)荷的Cu(II)-MEA配合物溶液。加入硝酸鉀(KNO3，AR)作為支持電解質(zhì)，減小溶液的阻抗。隨后，利用電磁攪拌器攪拌溶液直到所有物質(zhì)溶解，形成均一溶液。將所得溶液放入預(yù)定溫度的水浴槽保溫10 min，再將CO2氣體(純度≥99.99%)經(jīng)過流量計控制流量后鼓入溶液，利用稱量法稱量溶液質(zhì)量變化情況，以確保CO2負(fù)荷達(dá)到設(shè)計值。在制備過程中，為了避免溶液與空氣接觸，采取了必要的密封和冷卻回流措施。此處，定義溶液Cu(II)負(fù)荷為每mol MEA溶液中含有Cu(II)物質(zhì)的量；CO2負(fù)荷為每mol MEA溶液中含有CO2物質(zhì)的量。

3.2 電化學(xué)測試

電化學(xué)測試采用三電極體系，其中工作電極和輔助電極均為銅盤電極(表面積為0.282 6 cm2)，參比電極為標(biāo)準(zhǔn)Ag/AgCl參比電極。所有電化學(xué)測試均在單池體積為100 mL的H型可換膜密封電解池內(nèi)進(jìn)行，質(zhì)子交換膜(N117，美國杜邦)將電解池分為陰極槽和陽極槽。使用電化學(xué)工作站(CS350H，Corrtest Instruments)進(jìn)行測量，并利用水浴控制測試溫度。

先進(jìn)行陽極測試，將工作電極和參比電極置于陽極槽內(nèi)，輔助電極置于陰極槽內(nèi)。在滿足測試條件后，開始電化學(xué)測試。首先進(jìn)行開路電位(open circuit potential，OCP)測量。當(dāng)開路電位波動小于±0.5 mV后，則認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并記錄此時開路電位。然后進(jìn)行動電位掃描(potentiodynamic polarization，PP)測試，電位范圍為-0.02 ～0.4 V(vs. OCP(相對于開路電位))，掃描速率為1 mV×s-1。緊接著做電化學(xué)阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)測試，分別在相對于開路電位下以0、0.1、0.2、0.3、0.4 V的幅值下進(jìn)行測量，頻率范圍均為0.1～100 kHz。最后進(jìn)行循環(huán)伏安(cyclic voltammetry，CV)測試，電位掃描范圍為-0.9 ～0.5 V (vs.飽和Ag/AgCl電極)，掃描速率為 70 mV×s-1。

陽極測試完成后，進(jìn)行陰極測試。重新對電極進(jìn)行處理并更換溶液，將工作電極和參比電極置于陰極槽內(nèi)，輔助電極置于陽極槽內(nèi)。滿足測試條件后，進(jìn)行陰極測試，同樣先進(jìn)行開路電位測量，再進(jìn)行動電位掃描測試，但此時電位范圍為0.02 ～-0.4 V (vs. OCP)，其他參數(shù)不變。之后進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜(EIS)測試，依次在相對于開路電位以0、-0.1、-0.2、-0.3、-0.4 V的幅值進(jìn)行測量，頻率范圍仍為0.1～100 kHz。最后進(jìn)行循環(huán)伏安測試，參數(shù)設(shè)置與陽極測試時相同。

此外，每次測量前都要對工作電極進(jìn)行處理。首先用1 200目的金相砂紙打磨平整，接著依次使用1.0、0.3和0.05mm氧化鋁粉對電極進(jìn)行拋光。然后在去離子水和異丙醇中進(jìn)行超聲波清洗，其后放入干燥箱中干燥。為了保證測試的準(zhǔn)確性，每項測試均進(jìn)行至少3次平行試驗。電位和電流測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為6×10–4V和1.2×10–4A，質(zhì)量和溫度測量設(shè)備精確度分別為0.001 g和0.1 ℃。

4 結(jié)果與討論

4.1 循環(huán)伏安曲線分析

陽極槽Cu(II)負(fù)荷為0.025 mol，不同陰極槽Cu(II)負(fù)荷情況下的陽極和陰極循環(huán)伏安曲線如圖2所示。測試條件為：陽極Cu(II)負(fù)荷均為0.025 mol，陰極Cu(II)負(fù)荷分別為0.1、0.2、0.3、0.4 mol，CO2負(fù)荷均為飽和狀態(tài)，溫度：=30 ℃，KNO3質(zhì)量摩爾濃度KNO3=0.45 mol×kg-1。

圖2 相同陽極Cu(II)負(fù)荷時，不同陰極Cu(II)負(fù)荷下的循環(huán)伏安曲線

由圖2(a)可知，在陽極槽Cu(II)負(fù)荷相同，陰極槽Cu(II)負(fù)荷不同的情況下，陽極測試循環(huán)伏安曲線基本重合，說明H型電解池中質(zhì)子交換膜的存在減少了陰陽極溶液的互相干擾，陰極槽Cu(II)負(fù)荷的不同并不會對陽極槽內(nèi)的反應(yīng)產(chǎn)生明顯影響。從循環(huán)伏安曲線可以看出，當(dāng)電位正向掃描時，循環(huán)伏安曲線出現(xiàn)了2個氧化峰(Ia，IIa)，當(dāng)電位反向掃描時，出現(xiàn)1個氧化峰(IIIa)和2個還原峰(Ic，IIc)。當(dāng)電位超出-0.8 ～0.5 V (vs.飽和Ag/AgCl電極)時，電流會急劇上升，分別對應(yīng)析氫(電位0.5 V)反應(yīng)。

反應(yīng)過程中的2個還原峰(Ic，IIc)，主要是Cu(II)-MEA配合物分步還原的結(jié)果。Ic歸因于Cu(II)被還原為Cu(I)的反應(yīng)，IIc則歸因于Cu(I)被還原為Cu的反應(yīng)。其發(fā)生的反應(yīng)如下所示：

反應(yīng)過程中出現(xiàn)的3個氧化峰，其中Ia與其他峰相比更高大、對稱，這表明其對應(yīng)的反應(yīng)是可逆的，且在電化學(xué)控制下。因此，可以判斷該氧化峰代表金屬銅直接被氧化為Cu(II)的反應(yīng)，即：

循環(huán)伏安曲線中出現(xiàn)了3個氧化峰，比文獻(xiàn)[15]中的6個峰要少，其原因可能是文獻(xiàn)中將陰極和陽極同時置于同一電解池內(nèi)，并沒有進(jìn)行分隔，陰陽極產(chǎn)物相互作用，發(fā)生更多副反應(yīng)。由此可見，在實際應(yīng)用中避免陰極和陽極的溶液混合，可有效減少副反應(yīng)的發(fā)生，并且使反應(yīng)更加穩(wěn)定。

從陰極槽循環(huán)伏安曲線圖2(b)可以看出Cu(II)負(fù)荷大小對峰電勢影響很小，但對陽極峰電流有消極作用，對陰極峰電流有積極作用，說明增大Cu(II)負(fù)荷有利于銅的還原和胺的再生，但不利于金屬銅的氧化和CO2的解吸。并且值得注意的是，陽極和陰極過程中電荷轉(zhuǎn)移出現(xiàn)了不平衡的情況，陰極過程電荷轉(zhuǎn)移量總是小于陽極過程，意味著陰極反應(yīng)過程是限速步驟，隨著陰極配合物濃度增大，不平衡現(xiàn)象得到改善。因此，增大陰極配合物濃度可有效改善系統(tǒng)整體反應(yīng)速率。

4.2 極化曲線分析

保持陽極Cu(II)負(fù)荷相同，不同陰極Cu(II)負(fù)荷下的極化曲線如圖3所示。測試條件為：陽極Cu(II)負(fù)荷均為0.025 mol，陰極Cu(II)負(fù)荷分別為0.1、0.2、0.3、0.4 mol，CO2負(fù)荷均為飽和狀態(tài)，=30 ℃，KNO3=0.45 mol×kg-1。

從圖3(a)中可以看出，不同陰極Cu(II)負(fù)荷下的陽極極化曲線基本重合，同樣說明在H型電解池中，陰極溶液濃度的大小并不會對陽極的電化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。陰極反應(yīng)對應(yīng)于單質(zhì)銅的生成和MEA的再生過程，從陰極極化曲線圖3(b)中可以看出，隨著陰極Cu(II)-MEA 配合物濃度的增大，開路電位向正向移動，意味著金屬還原析出的可能性在逐步增大，并且可觀察到極限電流密度也不斷增大，表明隨著陰極Cu(II)負(fù)荷的增大，更有利于單質(zhì)銅的生成和MEA的再生。

圖3 陽極Cu(II)負(fù)荷相同，不同陰極Cu(II)負(fù)荷下的極化曲線

Fig.3 Polarization curves under different cathode Cu(II) loadings

保持陰極Cu(II)負(fù)荷一定的情況下，不同陽極Cu(II)負(fù)荷下的極化曲線如圖4所示。測試條件為：陰極Cu(II)負(fù)荷均為0.2 mol，陽極Cu(II)負(fù)荷分別為0.025、0.05、0.1、0.15 mol，CO2負(fù)荷均為飽和狀態(tài)，=30 ℃，KNO3=0.45 mol×kg-1。

由圖4(b)可見，不同條件下的陰極極化曲線走勢大致相同，而由圖4(a)可見，不同條件下的陽極極化曲線走勢有較大變化。陽極對應(yīng)Cu(II)的生成和CO2的解吸過程，在Cu(II)負(fù)荷為0.15 mol的情況下陽極極化曲線存在明顯Tafel區(qū)，這表明此時陽極反應(yīng)受到電荷轉(zhuǎn)移控制，隨著陽極槽內(nèi)Cu(II)負(fù)荷減小，逐漸觀察不到Tafel區(qū)，陽極活性溶解區(qū)也在逐步減小。因此，Cu(II)負(fù)荷的減小會顯著促進(jìn)陽極反應(yīng)速率，即有利于Cu(II)的生成和CO2的解吸過程。同時，也可看出隨陰陽兩極間濃度差減小，陽極極化曲線整體有向左上移動的趨勢，極限電流密度逐漸減小，這限制了CO2解吸速率的進(jìn)一步提高。因此，較小的陽極Cu(II)負(fù)荷和較大的陰陽極間濃度差，有利于Cu(II)的生成和CO2的解吸過程。

圖4 陰極Cu(II)負(fù)荷相同，不同陽極Cu(II)負(fù)荷下的極化曲線

4.3 電化學(xué)阻抗譜分析

電化學(xué)阻抗譜(EIS)測量用于對研究體系的電化學(xué)阻抗構(gòu)成進(jìn)行定量分析。系統(tǒng)典型的Nyquist圖及其等效電路如圖5所示，圖中￠為阻抗的實部，2為阻抗的虛部。

圖5 系統(tǒng)典型的Nyquist圖及其等效電路

圖5(a)為陰陽極槽內(nèi)Cu(II)負(fù)荷均為0.1 mol，CO2負(fù)荷均為飽和狀態(tài)，=30 ℃，KNO3=0.45 mol×kg-1，在?0.2、0、0.3、0.4 V (vs. OCP)的極化電位下的Nyquist圖，為完整反映電化學(xué)過程，可將圖概括性地劃分為3部分：高頻區(qū)的容抗弧、中頻區(qū)的感抗弧和低頻區(qū)的擴散弧。

高頻區(qū)的容抗弧是由電極和溶液雙電層電容引起的，該容抗弧呈現(xiàn)壓扁的半圓形，出現(xiàn)這樣的形狀是由于彌散效應(yīng)，即與電極/電解液界面性質(zhì)的不均勻性有關(guān)。容抗弧可以等效為電阻與常相位角元件CPE并聯(lián)電路，即電路。常相位角元件能夠?qū)冸娙菰龀鲅a償，以正確表征上面提到電極/電解液界面性質(zhì)的非均勻問題。

中頻區(qū)在高電位時出現(xiàn)較明顯的感抗弧，說明電極反應(yīng)中間產(chǎn)物在電極表面吸附。隨著極化電位的減小，感抗弧逐漸減小最后消失，表明合理控制極化電位可以有效減小反應(yīng)中間產(chǎn)物在電極表面吸附的概率。感抗弧可以等效為電阻與感抗線圈串聯(lián)電路，即電路。

低頻區(qū)的擴散弧，由接近45°的直線段和弧形段構(gòu)成，出現(xiàn)了平面電極的有限層擴散過程的典型特征，說明擴散傳質(zhì)過程是電極過程的控制步驟。擴散弧可用廣義有限Warburg阻抗元件來表征。

通過以上分析可以建立如圖5(b)的等效電路圖，s為工作電極與參照電極間溶液的阻抗，ct為陰陽極電極反應(yīng)電荷傳遞阻抗，CPE為常相位角元件，W是廣義有限Warburg阻抗元件。于是，總阻抗的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

陰極槽Cu(II)負(fù)荷為0.2 mol，不同陽極槽Cu(II)負(fù)荷情況下的陽極Nyquist圖如圖6所示。其測試條件為：陰極Cu(II)負(fù)荷均為0.2 mol，陽極Cu(II)負(fù)荷分別為0.025、0.05、0.1、0.15 mol，電勢幅值為0.4 V，CO2負(fù)荷均為飽和狀態(tài)下，=30 ℃，KNO3=0.45 mol×kg-1。

溶液中配合物濃度與Cu(II)負(fù)荷相對應(yīng)，當(dāng)陽極Cu(II)負(fù)荷從0.025提高到0.15 mol時，中頻區(qū)的感抗弧逐漸變大，說明隨著配合物濃度的增大，反應(yīng)中間產(chǎn)物在電極表面吸附的幾率會變大。同時可觀察到，隨著陰陽極之間配合物濃度差的增大，電荷傳遞阻抗從14.21減小至7.48 Ω×cm2。說明增大陰陽極之間配合物濃度差能夠增大電極反應(yīng)速率。

圖6 陰極Cu(II)負(fù)荷相同，不同陽極Cu(II)負(fù)荷下的陽極Nyquist圖

5 結(jié) 論

分析了電化學(xué)介導(dǎo)胺再生(EMAR)的CO2捕集系統(tǒng)的工作原理，并結(jié)合實際運用工況設(shè)計實驗，利用H型電解池研究了陰陽極槽內(nèi)配合物濃度對電極反應(yīng)的影響，利用循環(huán)伏安法、動電位掃描法以及電化學(xué)阻抗譜等測試方法對系統(tǒng)電化學(xué)動力學(xué)特征進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明：

(1) 用膜隔開陰極區(qū)和陽極區(qū)可以有效降低陰陽極之間的相互干擾，減小副反應(yīng)發(fā)生的可能性，并且陰陽極反應(yīng)均是分步進(jìn)行的，陰極反應(yīng)為整個過程的控制步驟。

(2) 陰陽極電極反應(yīng)均由擴散和電荷傳遞共同控制，較低陽極Cu(II)負(fù)荷和較高陰極Cu(II)負(fù)荷的條件下，更有利于系統(tǒng)反應(yīng)的進(jìn)行。

(3) 系統(tǒng)典型的Nyquist圖一般由高頻區(qū)的容抗弧、中頻區(qū)的感抗弧和低頻區(qū)的擴散弧組成。增大陰陽極之間配合物濃度差能夠有效促進(jìn)電極反應(yīng)速率，但較大配合物濃度會增大反應(yīng)中間產(chǎn)物在電極表面吸附的幾率，這一點需要根據(jù)具體應(yīng)用場景綜合考慮。

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Electrochemical performance of electrochemically-mediated amine regeneration CO2capture systems

FAN Hui-feng1,2, WU Xiao-mei1, LIU Guang-xin1,Maimoona Sharif1,2, YU Yun-song1, ZHANG Zao-xiao1,2

(1. School of Chemical Engineering and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Carbon dioxide (CO2) capture is important for achieving carbon neutrality of China. The electrochemically-mediated amine regeneration (EMAR) CO2capture system is promising for CO2capture. A H-cell was designed for electrochemical experiments to study the electrochemical performance of EMAR. Electrochemical behaviors in the EMAR CO2capture process using MEA as an absorbent and copper ions as metal ligands were studied. The results show that both cathode and anode reactions happen step by step, and both are controlled by diffusion and charge transfer. The cathode reaction is slower and more difficult, which means the cathode process is the control step. Meanwhile, increasing the complex concentration difference between the anode and cathode chambers (i.e. with a lower anode complex concentration and a higher cathode complex concentration) contributes to the EMAR CO2capture process. Finally, the results obtained are expected to provide theoretical support for the scale-up and practical application of EMAR CO2capture technology.

carbon capture; electrochemically-mediated amine regeneration(EMAR); H-cell; electrochemical performance

1003-9015(2022)02-0235-07

TQ150.9

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2022.02.011

2021-06-18；

2021-08-21。

國家自然科學(xué)基金(51876150，52050027)；中國博士后基金(2020M673390)；陜西省青年科學(xué)基金(2020JQ-058)。

范會峰(1992-)，男，河南周口人，西安交通大學(xué)博士生。

張早校，E-mail：zhangzx@mail.xjtu.edu.cn

范會峰, 吳小梅, 劉廣鑫, Maimoona Sharif, 余云松, 張早校.電化學(xué)介導(dǎo)胺再生CO2捕集系統(tǒng)電化學(xué)性能研究[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報, 2022, 36(2): 235-241.

：FAN Hui-feng, WU Xiao-mei, LIU Guang-xin, Maimoona Sharif, YU Yun-song, ZHANG Zao-xiao. Electrochemical performance of electrochemically- mediated amine regeneration CO2capture systems [J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2022, 36(2): 235-241