基于碳纳米纤维空气过滤器的分布式直接空气碳捕获技术：实现高效低能耗的室内二氧化碳去除与建筑节能

《SCIENCE ADVANCES》：Distributed direct air capture by carbon nanofiber air filters

本文报道了一种创新的分布式直接空气碳捕获（DAC）技术，通过将聚乙烯亚胺（PEI）功能化的碳纳米纤维（CNF）集成到建筑通风系统中，实现了对室内空气中二氧化碳（CO2）的高效捕获。该CNF基吸附剂在湿度条件下吸附容量高达4 mmol/g，并可通过太阳能或可再生电能实现低温再生。生命周期评估显示，该技术的碳去除效率达92.1%，每年全球潜在碳捕获量达5.96亿吨。该研究为城市环境下的分布式碳管理提供了新范式，同时可提升建筑能效和室内空气质量。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，直接空气碳捕获（DAC）技术作为负排放技术的重要组成部分受到广泛关注。然而，传统DAC设备通常需要集中式大型工厂和特定地理条件，存在占地面积大、投资成本高、选址受限等问题。与此同时，城市建筑内部的通风系统每天处理大量空气，却鲜被用于碳管理。特别值得注意的是，室内CO₂浓度过高会影响人体健康和工作效率，而常规的通风换气方式又会增加建筑能耗。这些现实问题促使研究人员探索将碳捕获功能直接集成到建筑通风系统中的新方法。

在这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究中，研究人员开发了一种基于碳纳米纤维（CNF）空气过滤器的分布式DAC技术。该技术通过将聚乙烯亚胺（PEI）负载到电纺制备的CNF上，创建了一种高效吸附剂，可直接安装在建筑通风系统的标准空气过滤器下游，实现对室内空气中CO₂的实时捕获。

研究采用的关键技术方法包括：通过静电纺丝和高温热解制备碳纳米纤维基底；采用浸渍法将聚乙烯亚胺负载到CNF上形成复合吸附剂；利用突破曲线测试评估吸附剂在不同湿度条件下的CO₂捕获性能；通过太阳能模拟器和电热再生系统研究吸附剂的再生效率；结合生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）全面评估该技术的环境效益和经济可行性。

CNF基DAC空气过滤器的制备与表征

研究人员通过静电纺丝聚丙烯腈（PAN）并经高温热解制备了CNF基底。扫描电子显微镜（SEM）显示CNF呈三维网状结构，纤维直径约300纳米。X射线光电子能谱（XPS）证实热解后碳含量显著增加，形成了富含sp²杂化碳的石墨化结构。通过调控PEI的负载量（16-78 wt%），成功制备了系列吸附剂，其中高PEI负载量（78 wt%）的吸附剂在25°C、400 ppm CO₂条件下表现出最佳吸附性能。

CO₂吸附性能评估

突破曲线测试表明，CNF-PEI吸附剂在湿度条件下仍保持高吸附容量（4 mmol/g），优于许多传统吸附材料。随着相对湿度从0%增加到60%，吸附容量先增加后略有下降，在40%相对湿度时达到最大值。这种优异的耐湿性源于CNF的多孔结构为PEI提供了良好的分散载体，减少了胺基团的相互遮挡。吸附动力学研究表明，约90%的吸附在最初30分钟内完成，表明其具有快速吸附特性。

可再生能源驱动的吸附剂再生

研究证明了两种低能耗再生策略：太阳能热再生和电热再生。CNF具有高达94.4%的太阳光吸收率，在982 W/m²的光照强度下，表面温度可在10分钟内升至70°C，实现CO₂的高效解吸。同时，CNF的导电性（38.7 ohms/sq）使其可通过焦耳加热实现快速再生，仅需1-2秒的短时电脉冲即可完成解吸。循环测试显示，吸附剂在70次循环后仍保持72.4%的初始吸附容量。

环境与经济效益分析

生命周期评估表明，采用太阳能热再生时，从摇篮到坟墓的CO₂去除效率达92.1%，碳足迹仅为0.073 kg CO₂/kg CO₂去除。技术经济分析估计，每吨CO₂的捕获和封存成本为209-668美元。敏感性分析显示，吸附剂循环次数从100次增加到4000次时，碳去除效率可从92.1%提升至95.8%。

该研究成功开发了一种基于CNF空气过滤器的分布式DAC技术，为解决城市环境下的碳管理提供了创新解决方案。通过利用建筑现有的基础设施，该技术避免了传统DAC工厂的高额土地和建设成本，实现了碳捕获的"去中心化"。特别值得关注的是，该技术不仅能直接从空气中捕获CO₂，还能通过降低室内CO₂浓度来减少建筑通风能耗，同时改善室内空气质量和人员工作效率，具有多重协同效益。研究展示的太阳能和电热再生策略确保了技术在多种地理条件下的适用性，而详细的生命周期和技术经济分析则为该技术的大规模应用提供了科学依据。这项工作为分布式碳管理技术的发展指明了新方向，对实现城市环境的碳中和目标具有重要意义。