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