仿生催化剂驱动下的高效 CO2捕获与矿化：开启低碳经济新征程

为解决当前二氧化碳去除（CDR）和 CO2捕获与封存（CCS）技术的不足，研究人员开展仿生催化剂用于 CO2捕获和矿化的研究。结果显示该催化剂 C1 性能优异，这为大规模碳减排和管理提供了经济可行的方案。

　　随着全球工业化进程的加速，人类活动排放的二氧化碳（CO₂）量呈指数级增长，这引发了一系列严重的环境问题，如全球气候变暖、海平面上升等。当前，碳捕获、利用与存储（CCUS）技术被视为缓解这些问题的重要途径之一。然而，现有的 CO₂捕获技术，尤其是基于胺类吸收剂的方法，存在诸多缺陷。例如，胺类吸收剂在捕获 CO₂后，解吸过程需要高温（>100 °C），这使得整个捕获过程能耗大、成本高。此外，酸性杂质（如 SO_x和 NO_x）会严重影响胺类吸收剂的活性，降低 CO₂捕获效率。因此，开发一种高效、经济且环保的 CO₂捕获和转化技术迫在眉睫。

在这样的背景下，研究人员开展了一项关于仿生催化剂驱动的 CO₂捕获和矿化的研究。该研究设计合成了一种受碳酸酐酶（CA）启发的催化剂 C1，旨在探索其在不同条件下捕获和转化 CO₂的性能，为实现大规模碳减排和可持续碳管理提供新的解决方案。研究成果发表在《Carbon Capture Science 》上，为该领域的发展提供了重要的理论和实践依据。

研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。首先，通过多种光谱技术，如光学吸收光谱、红外光谱、核磁共振（NMR）光谱以及质谱等，对合成的催化剂 C1 和对照催化剂 C2 进行了全面的结构表征，以确定其组成和结构特征。其次，利用离子色谱技术监测 CO₂水解过程中碳酸氢根离子的生成情况，以此评估催化剂的 CO₂水解活性。此外，通过改变反应条件，如不同的水源、CO₂气源、温度等，系统地研究了催化剂 C1 在各种实际条件下的性能。

研究结果

1. 催化剂的合成与表征：研究人员成功合成了催化剂 C1 和对照催化剂 C2。通过多种光谱分析手段，对它们的结构进行了详细表征。结果表明，C1 中 Zn（II）离子以扭曲四面体结构与 N₃部分配位，同时具有模仿 CA 酶外配位球（OCS）特征的辅助 O₃醚基冠层；而 C2 虽然在 Zn（II）中心的初级 N₃配位方面与 C1 相似，但缺少关键的 OCS 结构。
2. CO₂水解实验：通过 pH 随时间变化的监测以及离子色谱分析，研究人员发现 C1 在促进 CO₂溶解和水解方面表现优异。在实验中，C1 和 C2 在反应初期都能使溶液 pH 下降，但随着 pH 接近中性，C1 存在下溶液 pH 下降更快。离子色谱结果显示，C1 作用下溶液中积累的碳酸氢根离子浓度达到约 31.6 mM，明显高于 C2（约 24.7 mM）和空白对照组（约 23.8 mM），突出了 C1 中 OCS 特征在水解催化剂设计中的重要性。
3. 水解化学的 pNPA 分析：利用对硝基苯乙酸（pNPA）水解实验，研究人员进一步探究了催化剂的水解活性。实验结果表明，C1 存在下 pNPA 水解生成对硝基苯酚的速度比 C2 更快。通过对水解速率的定量分析，发现 C1 的 k_cat值（8.82 ± 0.978×10³ M¹ s¹）约为 C2（4.24 ± 0.88×10³ M¹ s¹）的两倍，这归因于 C1 中活性 OCS 特征能在近中性条件下更有效地生成反应性 Zn-OH^–物种。此外，C1 对 pNPA 的亲和力更高，其米氏常数（K_m）值（5.52×10³ M）小于 C2（5.59×10³ M）。
4. 捕获 CO₂的矿化实验：在 CO₂捕获和转化实验中，C1 展现出卓越的性能。在优化条件下，C1 催化捕获的 CO₂与 CaCl₂反应，生成了纯度约 100% 的 CaCO₃沉淀，产量达到 9.86 mg/mL。相比之下，对照实验中，自由配体 L1、C2 以及传统胺类吸收剂单乙醇胺（MEA）的 CaCO₃产量均显著低于 C1。
5. 不同水源和 CO₂源的水解实验：研究人员考察了 C1 在不同水源（反渗透（RO） reject 水、海水）和 CO₂源（纯 CO₂、模拟烟气、空气）条件下的性能。在 RO reject 水中，C1 仍能保持较高的 CO₂水解活性，CaCO₃产量为 8.7 mg/mL，约为去离子水中活性的 90%。在海水中，C1 可利用海水中天然存在的 Ca（II）和 Mg（II）离子，诱导生成由 MgCO₃和 CaCO₃组成的沉淀，且催化剂 C1 使碳酸盐矿物形成量比空白溶液增加了约 40%。在模拟烟气实验中，C1 能有效去除烟气中的 CO₂，CaCO₃产量达到 10.76 mg/mL，CO₂捕获能力约为 15%。在直接空气捕获实验中，C1 从空气中捕获 CO₂并转化为 CaCO₃的效率比空白对照组高约 20 倍。
6. 不同温度下的 CO₂水解实验：研究人员测试了 C1 在不同温度（30 - 70 °C）下的 CO₂捕获和转化能力。结果显示，C1 在室温下表现出最佳的 CO₂捕获和转化活性。虽然随着温度升高，由于 CO₂溶解度降低，CaCO₃产量呈下降趋势，但 C1 在高温下仍能保持稳定的催化性能，展现出良好的温度耐受性。
7. 催化剂的可回收性实验：研究人员对 C1 的可回收性进行了研究。通过连续十次循环实验，发现 C1 在整个实验过程中催化活性保持稳定。在前七次循环中，CaCO₃产量稳定，第七次循环后补充 Ca（II）离子，催化活性恢复如初，证明 C1 可用于多次催化循环。

研究结论与讨论

该研究成功开发了一种仿生催化剂 C1，它模拟了碳酸酐酶的活性位点结构，在 CO₂捕获和矿化方面表现出优异的性能。C1 不仅能在近中性条件下高效水解 CO₂，还能在多种复杂实际条件下，如不同水源、CO₂气源和温度下，保持较高的催化活性和选择性。此外，C1 具有良好的稳定性和可回收性，为大规模应用提供了可能。

这项研究成果为解决全球碳减排问题提供了新的思路和方法，有望推动可持续碳管理技术的发展。仿生催化剂 C1 的成功开发，为碳捕获、利用与存储（CCUS）技术领域开辟了新的方向，可能成为实现碳中和目标的重要技术手段。未来，研究人员可进一步优化催化剂的结构和性能，探索其在更广泛工业场景中的应用，为应对全球气候变化做出更大的贡献。