The Innovation Materials | 低碳未来：高效去除二氧化碳的创新解决方案

希望通过创新的带电吸附剂技术，为全球气候变化提供一种高效、可持续的解决方案，助力实现更清洁的未来。

导读

近年来，在气候危机的推动下，直接空气中捕集（DAC）技术取得了较大的进展，人们希望构建经济上可行的大规模DAC系统。但许多DAC吸附剂存在捕集成本较高且循环稳定性差等问题，这对DAC的大规模应用提出了挑战。本文探讨了一种新型“带电吸附剂”，具有可调谐结构、低运行成本和广泛适用性的可能性 。

直接空气中捕集（DAC）的概念是使用含有吸附材料的二氧化碳洗涤器，从环境空气中选择性地吸附二氧化碳（CO₂），这是最早开发的从大气中去除CO₂的方法之一。吸附剂材料可以通过加热或施加真空来再生，从而可以从大气中捕获CO₂，然后收集起来进行地质封存或转化。虽然有几种有前景的DAC材料和工艺，但仍没有经过验证的、在经济上可扩展的DAC概念。因此，有必要探索利用可再生电力进行再生的方法，以便以具有成本效益的方式扩大DAC的规模。

氢氧化物基材料是最有前途的DAC吸附剂之一。Keith等人对大气中捕获CO₂进行了技术经济分析，其中所有主要成分均来自成熟的商业概念。他们采用钙碱液耦合KOH的碳捕集系统，每年连续捕获约1 Mt-CO₂。但是，该过程的再生步骤需要在900 ℃高温下进行，能源成本高昂，而且需要使用天然气。与此相关的一种方法是使用氢氧化钙作为吸附剂，但同样需要在900 ℃高温下再生。这些吸附剂再生所需的高温可归因于生成的碳酸盐化合物的巨大晶格能。另一种可以显著降低再生温度的方法是将氢氧化物分散在聚合物基体或多孔支撑材料（如金属-有机框架）中。然而，这些材料在稳定性和材料成本方面存在局限性，这对大规模应用提出了挑战。

2024年，Li等人在开发新型DAC吸附剂方面取得了突破，该吸附材料利用类似电池的充电过程，在低成本碳材料的孔隙中积累大量活性氢氧根离子。碳材料的作用就像电池中的电极，氢氧根离子在炭的微小孔隙中积聚，然后这些离子在吸附过程中充当活性位点。这些具有可调结构的导电吸附剂被称为“带电吸附剂”。与其他DAC工艺中使用的碱性溶液相比，固体吸附剂具有低能量输入（2~3 GJ/t CO₂）、低运营成本以及在各种规模上的广泛适用性。带电吸附剂通过形成（双）碳酸盐快速捕获空气中的CO₂。与传统的块状碳酸盐相比，带电吸附剂的反向解吸过程不需要克服高晶格能垒，因此可以在相对较低的温度（90-100 ℃）下完成。此外，这种吸附剂还具有良好的导电性和导热性，可以直接进行焦耳加热解吸，为利用可再生能源驱动解吸提供了机会。这显著提高了其技术经济性，组成材料和电解质的成本相对较低，这也表明该技术具有规模化应用的潜力。

高效去除CO₂的带电吸附剂作为一种新兴技术，展现了良好的应用潜力，并且带电吸附剂的可再生性和低能耗再生过程，进一步提高了其经济性和环境友好性。未来进一步研究和优化带电吸附剂的材料性能和合成工艺，将是关键方向。结合纳米技术和新型材料，开发更高效、更耐用的吸附剂，有望显著提升CO₂捕集效率。同时，探索其在实际应用中的工程化和大规模推广，将推动这一技术的规模化进程，为应对全球气候变化贡献力量。

孙振宇   2006年博士毕业于中科院化学所，先后在爱尔兰圣三一学院、德国波鸿鲁尔大学、英国牛津大学作博士后研究，德国洪堡学者，现为北京化工大学化学工程学院教授，博士生导师，新能源化工系主任。中国化学会高压化学专业委员会委员，中国化学会二氧化碳化学专业委员会委员。RSC Sustainability副主编，The Innovation Materials联合创刊人及学术编辑，Chinese Journal of Catalysis (《催化学报》)、Acta Physico-chimica Sinica (《物理化学学报》)、ChemElectroChem、《煤化工》编委；作为客座编辑，在本领域(E)SCI期刊上组织出版主题专刊8期。主要致力于N₂、CO₂光/电化学还原催化材料的设计、催化性能及反应机理研究。以一作/通讯作者，在The Innovation、Chem、Nat. Commun.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等期刊已发表学术论文140余篇，出版英文书籍6章节，申请/授权发明专利17项。所有论文被Science等引用24300余次，H-因子65。入选2019年度中国百篇最具影响国际学术论文、Cell Press 细胞出版社2019中国年度论文；爱思唯尔 (Elsevier) 2021–2023中国高被引学者；担任瑞士、智利、德国、法国、阿联酋等国际项目评审人。