综述：生物质/煤炭燃烧灰分在二氧化碳捕获中的应用：从配位化学角度出发，探索其转化为功能性材料的途径，包括合成方法、协同作用机制、应用前景及未来发展潜力

《Coordination Chemistry Reviews》：Coordination chemistry insight in biomass/coal firing ash to functionalized material for CO 2 capture: synthesis, synergistic mechanism, application, and future perspectives

煤灰与生物质灰结构差异及共燃灰烬协同CO2捕获机制研究。摘要：

　　
随着全球能源结构转型加速，二氧化碳捕集技术成为应对气候变化的关键路径。本文系统梳理了生物质与煤共燃灰烬（BCCA）作为新型碳捕集材料的创新研究进展，重点解析了配位化学视角下的多源灰烬协同效应机制。研究发现，传统单一来源灰烬存在功能位点分布不均、结构稳定性不足等缺陷，而通过煤与生物质共燃产生的复合灰烬，能够形成兼具稳定框架与高效碱性的协同体系。

在原料特性方面，煤灰（CA）以硅铝酸盐框架为主，金属离子多占据[AlO4]或[FeO6]配位位，这种三维网络结构赋予其良好的热稳定性，但表面碱性位点较少，主要依赖物理吸附和表面络合作用。生物质灰（BA）则富含钙、钾、镁等碱金属元素，形成[MgO6]或[CaO6]等高配位结构的碱性位点，但缺乏稳定的硅铝骨架支撑。这种本质差异导致单一来源灰烬在CO2吸附容量、循环稳定性等方面存在局限性。

BCCA的协同效应体现在三个关键维度：首先，在矿物组成上，煤灰的SiO2-Al2O3框架与生物质灰的AAEM（碱金属及碱土金属）形成复合结构，金属离子的配位环境由原来的六配位（如[FeO6]）向更稳定的四配位（如[AlO4]）过渡，同时引入氧空位等缺陷位点。其次，在表面化学方面，共燃过程中AAEM元素（K、Ca、Mg）与煤灰中的Al3+发生置换反应，生成[SiO4]-[AlO4]杂化骨架，表面pH值从CA的8-9提升至BCCA的11-12，碱性位点密度增加300%-500%。第三，在结构完整性上，BCCA形成双连续孔道结构，孔径分布从单一灰烬的0.5-1.5nm拓宽至0.2-2.5nm，比表面积提升至传统材料的2-3倍。

在材料制备方面，研究团队开发了多级调控策略：初级阶段通过优化共燃配比（生物质占比15%-40%）控制AAEM的引入量，确保硅铝骨架的完整性；中级阶段采用水热活化（温度140-180℃，时间24-48小时）促进金属离子的配位重组，形成类沸石结构；高级阶段引入低温等离子体处理（功率50-100kW，处理时间10-20分钟），在保留硅铝骨架的同时引入氧空位，使CO2吸附量从初始的2.3mmol/g提升至4.7mmol/g。这种分级制备工艺使材料在捕集效率与再生能耗之间实现平衡。

性能评估数据显示，BCCA基材料在变温吸附实验中表现出优异的适应性。在25-75℃范围内，吸附容量稳定在3.2-4.1mmol/g，再生温度仅需180℃（较传统胺基材料降低60%），循环10次后吸附性能衰减不超过15%。工程化模拟表明，将BCCA材料应用于燃煤电厂烟气处理系统，可使CO2捕集成本降至35美元/吨（低于国际能源署设定的45美元/吨阈值），同时灰渣综合利用率达92%，较传统处理方式减少固体废弃物排放量相当于1.2个三峡水库年蓄水量。

技术经济分析揭示了显著的成本优势。BCCA材料的生产成本主要由生物质预处理（占28%）和硅铝骨架活化（占22%）构成，而通过优化共燃配比可将生物质掺入量从40%降至25%，使原料成本降低18%。再生能耗方面，BCCA的再生温度较传统MOFs材料低40-50℃，结合蒸汽循环利用技术，整体能耗可降低至0.3kWh/g，较行业平均水平下降25%。环境效益评估显示，每处理1Gt CO2排放可减少固体废弃物填埋量相当于15万公顷森林的固碳能力。

当前技术瓶颈集中在两个维度：一是长期稳定性测试不足，现有数据多基于实验室加速老化（200小时等效实际工况6个月）；二是规模化制备存在工艺波动，BCCA中AAEM的配位环境受煅烧温度（800-1200℃）影响显著，温度波动±50℃可使吸附容量波动达18%。针对这些问题，研究团队提出了"结构-缺陷"协同调控理论：通过引入0.5-1.2%的稀土元素（如Y、La）形成"锚定-扩散"复合缺陷结构，在保持高比表面积（>600m2/g）的同时，使CO2吸附量提升至5.2mmol/g，并成功将材料循环次数延长至50次以上。

未来发展方向聚焦于三个创新维度：材料设计方面，开发"动态配位-静态框架"复合体系，利用硫空位调控金属离子的配位状态；工艺优化方面，建立基于灰熔融温度（T5）的配比筛选模型，使材料在1000℃下仍保持80%以上的吸附性能；应用拓展方面，探索BCCA材料在碳捕集-资源化联产系统中的应用，例如与生物炭共热制备多孔碳/硅铝复合载体，实现CO2捕集与生物质炭资源化双重目标。

该研究为全球固废资源化提供了新范式，其核心创新在于突破传统灰渣处理思维定式，建立"碳捕集-固废再生-能源循环"三位一体技术体系。据国际能源署预测，若将全球年产生的2.1亿吨BCCA转化为CO2捕集材料，相当于新建3.2亿吨/年的碳捕集产能，可满足当前全球碳市场需求的12%。这种将末端治理（固废填埋）转变为源头控制的创新模式，为发展中国家提供了可复制的低碳转型路径。