上海交大林赫教授团队综述：基于双功能材料的直接空气碳捕集与利用新技术进展
上海交大林赫教授团队综述：基于双功能材料的直接空气碳捕集与利用新技术进展
全球变暖问题日益严峻，温室气体排放，尤其是二氧化碳，引发了严重的环境问题，威胁人类生存。DAC技术成为缓解全球变暖的潜在碳负性手段，捕获的二氧化碳可用于多种途径，其中催化转化为高附加值产品最具前景。但传统DAC技术及CO2利用涉及压缩、存储和运输等多个步骤，过程复杂且能耗高。文章提出的IDACU系统，通过将DAC与原位催化转化相结合，能降低能耗、简化流程。该系统利用双功能材料，可直接将捕获的二氧化碳转化为多种产品，是极具潜力的碳中和技术，对减少碳排放、存储可再生能源意义重大。此外，文章对 IDACU技术路线和材料的研究，为该领域发展提供了参考，有助于推动其从理论研究走向实际应用。
IDACU 技术路线
固体基双功能材料热催化
固基双功能材料由吸附剂、催化剂等组成，文章探讨了其工作原理和反应条件，指出这些材料在CO2捕集和转化过程中的表现。固体DFMs通常由吸附剂和催化剂集成在同一固体材料中，能够在一个反应器中完成CO2的捕集和转化，避免了分离和再生的复杂过程。
图1 IDACU 在固体基DFMs上的反应过程示意图
液体吸附剂的热催化
液体吸附剂捕获二氧化碳后经热催化转化，分为非均相和均相催化系统。文章分析了非均相和均相催化系统的优缺点。液体吸附剂如胺溶液和氢氧化物溶液能够有效捕集CO2，并通过催化转化生成化学品或燃料。尽管同相催化系统在质量传递方面具有优势，但分离催化剂和吸附剂的成本和复杂性仍然是一个挑战。
图2 使用氢氧化物基IL将集成DAC和原位转化为环状碳酸盐的拟议策略
非热转化过程
文章还探讨了新兴的非热转化技术，如光催化和电催化。这些方法能够在较低温度下进行催化反应，消除了对外部热源的依赖，提供了更为高效的CO2捕集和转化途径。例如，光催化技术结合了CO2的浓缩和转化过程，展现出良好的连续操作能力，能够在室温下实现高效的催化反应。
图3 提出的CO2 捕获与光催化偶联反应的整合机制
DFMs的进展
负载型DFMs
通常采用铝氧化物、锆氧化物等作为支撑材料，以提高吸附剂和催化剂的分散性与热稳定性。然而，负载型DFMs的CO2捕集能力往往低于理论值，亟需优化材料的组成和结构。
非负载型DFMs
NiCa基DFMs以氢氧化钙为吸附剂，解决了负载型DFMs的部分问题，提高了二氧化碳捕获容量和转化率，还介绍了其可能的反应机理，展示了其在实际应用中的潜力。
图4 在NiCaZr DFMs上提出的集成DAC和原位甲烷化机制
其他类型DFMs
如固体负载胺结合溶液催化剂、膜材料等，这种方法能够提高CO2的吸附性能，并减少有机胺的浸出问题，各有特点和应用潜力，但也面临有机胺浸出、吸附容量低等挑战。
图5 使用固相负载胺（SSA）和催化剂回收进行CO 2 捕获和转化为甲醇的集成示意图
研究总结与展望
文章总结了IDACU技术的潜力和当前面临的挑战，强调了材料创新和系统集成的重要性。为了实现IDACU技术的实际应用，后续研究还需要关注材料的大规模生产、结构设计以及成本和能耗等因素。通过不断的技术进步和跨学科合作，IDACU有望成为应对气候变化的有效工具，为实现碳中和目标贡献力量。
原文链接：https://doi.org/10.1007/s11708-025-0977-5
本文原文来自《Frontiers in Energy》，该期刊由中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由高等教育出版社、中国工程院和上海交通大学共同主办。致力于发表能源领域具有“前沿性、创新性和交叉性”的原创研究论文、综述、展望、观点、评论、新闻热点等。