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物理学 > 化学物理

arXiv:2502.01028 (physics)
[提交于 2025年2月3日 ]

标题: 电化学CO2捕获与pH无关的氧化还原化学

标题: Electrochemical CO2 capture with pH-independent redox chemistry

Authors:Sang Cheol Kim, Marco Gigantino, John Holoubek, Jesse E. Matthews, Junjie Chen, Yaereen Dho, Thomas F. Jaramillo, Yi Cui, Arun Majumdar, Yan-Kai Tzeng, Steven Chu
摘要: 捕获人为来源的CO2对于缓解气候变化至关重要,而降低能耗对于大规模部署是必不可少的。 无机碳在水溶液中的溶解度取决于pH值,而通过电化学调节pH已被研究作为CO2捕获和释放的方法。 然而,已报道的方法由于热力学惩罚而不可避免地产生能耗。 在本研究中,我们引入了一种与pH无关的氧化还原化学反应,通过改变pH而不直接改变[H+],显著降低了热力学能耗。 我们展示了TEMPO分子的氧化还原反应在流动电池中调节pH,以捕获和释放CO2,其能耗低至2.6 kJ/mol CO2,相当于0.027 eV/分子。 提出了一种分子模型,该模型得到了MD和DFT模拟的支持,说明了pH如何降低7.6,同时大大避免了增加[H+]相关的熵能成本。 我们认为,这项工作展示了与pH无关的氧化还原化学在实际和经济有效的CO2捕获中的潜力。
摘要: Capture of anthropogenic CO2 is critical for mitigating climate change, and reducing the energy cost is essential for wide-scale deployment. Solubility of inorganic carbon in aqueous solutions depends on the pH, and electrochemical modulation of the pH has been investigated as a means of CO2 capture and release. However, reported methods incur unavoidable energy costs due to thermodynamic penalties. In this study, we introduce a pH-independent redox chemistry that greatly lowers the thermodynamic energy costs by changing the pH without directly changing the [H+]. We show that the redox reaction of TEMPO molecules modulates the pH for capture and release of CO2 in a flow cell with an energy cost as low as 2.6 kJ/mol of CO2 corresponding to 0.027 eV/molecule. A molecular model, supported by MD and DFT simulations, is proposed of how the pH is decreased by 7.6 while largely avoiding the entropic energy cost associated with increasing the [H+]. We believe that this work showcases the potential of pH-independent redox chemistries for practical and cost-effective CO2 capture.
主题: 化学物理 (physics.chem-ph)
引用方式: arXiv:2502.01028 [physics.chem-ph]
  (或者 arXiv:2502.01028v1 [physics.chem-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2502.01028
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Sang Cheol Kim [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2025 年 2 月 3 日 03:48:04 UTC (4,566 KB)
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