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美国能源部提出碳去除技术基础科学问题优先研究方向

时间：2022-08-12 来源：浏览：

美国能源部提出碳去除技术基础科学问题优先研究方向

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近日， 美国能源部（DOE）发布“碳去除技术基础科学问题”圆桌会议总结报告 ，讨论了CO2捕集、转化和封存过程中的科学与技术难题，确定了5个优先研究方向 ，关键要点如下：

1、多时间和空间尺度CO2运移反应的界面耦合过程研究

CO2分子穿过气-液-固界面的物理和化学耦合反应是所有CO2去除（CDR）过程的基础。反应过程中，界面上CDR的驱动力（pH值，反应物间的梯度）降低，会减缓捕集动力学或钝化天然/合成材料的表面。如何利用不同相之间的界面耦合来提高CO2反应性及质量和能量传输是关键科学问题。持续再生反应性功能的强化可以彻底改变CDR介质的效能。为此，下一代CDR介质的成功设计和开发需要对界面过程进行从原子到宏观尺度的描述，在界面上对碳捕集和封存过程的准确描述必须考虑其固有的粗糙度、多组分和动态性质。

2、高亲和力、低能量释放屏障及化学转化屏障、耐久性好的CO2捕集/转化的高性能材料研发

研发新型高性能材料是减少从稀释源捕集CO2所需能量并将CO2转化为高价值的净负排放产品的关键。高结合亲和力、低能量释放屏障或化学转化的屏障和耐久性好的材料设计原则和合成方法研究是亟待解决的关键问题。新的合成方法、原位表征工具和计算方法的开发将加速发现耐久性好、可以实现高效捕集与转化的材料，对CDR技术产生变革性影响。

3、高效节能的CO2捕集、释放和转化的非传统途径和材料探索

CO2吸附剂通常利用焓驱动原理进行CO2捕集，当温度升高或压力降低时，吸附剂又将所吸附的CO2脱附出来，完成CO2的分离过程，同时吸附剂实现了再生。如何利用非常规的热力学和动力学来驱动CO2的吸附/解析或低能耗的反应，将捕集CO2所需的强亲和力从能量屏障分离、对之后的循环吸附/解析分离过程进行解耦是关键科学问题。为此，需要新的计算和实验工具来探测捕集点和界面上的局部能量转移和分子重组。

4、CO2转化为分子、矿物和材料的多相物理和化学相互作用研究

合理调整CO2转化为矿物和材料的多相物理和化学相互作用，可以实现可扩展和持久的CO2封存。控制CO2转化为矿物和材料的动力学机制的关键多相界面结构和化学过程是需要解决的关键科学问题。在化学动态环境中，要定量地确定、预测和控制催化转化的速率，必须考虑活性位点、限制条件和物质传输。矿化策略需要了解多核物种、无定形或致密液体前体和离子脱溶对碳酸盐矿化速率的作用，以及仿生方法增强这两种过程的能力。

5、强化对CO2封存地球化学-地质力学过程的预测性理解，创建CO2长期安全封存预测模型

CO2地质封存必须将CO2封存在复杂的千米级地层中数千年，这些地层的岩性、地下水化学成分和结构各不相同。CO2封存会对储层造成无法预测的变化，如何将实验数据和环境数据与基于物理的跨时间和空间尺度的建模相结合，以理解和发现地球化学-地质力学过程，并创建CO2长期安全封存预测模型是亟待解决的关键科学问题。其中，现场数据为验证将储层完整性与分子尺度化学反应联系起来的实验和计算方法提供了机会。将地球物理信号与基于物理模型的机器学习驱动模拟相结合，可以加深对地球化学-地质力学耦合过程的理解，从而实现更可靠的储层长期动态预测。

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