碳纳米纤维负载Ru-K2 CO3 双功能材料协同作用实现CO2 直接空气捕获与低温高效转化

为解决直接空气捕获(DAC)与碳捕集利用(CCU)过程中能耗高、转化效率低的问题，荷兰研究人员开发了碳纳米纤维(CNF)负载Ru-K2 CO2 的双功能材料(DFM)。研究发现该材料在225°C以下可实现100% CO2 转化率，其协同效应使甲烷化效率较物理混合体系提升3倍，为分布式碳减排提供了新策略。

　　

全球气候变暖背景下，直接空气捕获(DAC)技术被视为解决历史碳排放的关键手段。然而传统碳捕集系统存在两大痛点：蒸汽脱附能耗占过程总能耗80%，且捕获与转化需分步进行导致效率损失。更棘手的是，当前使用γ-Al₂
O₃
等活性载体时，碱金属碳酸盐会与载体形成混合相，迫使脱附温度超过200°C。荷兰乌得勒支大学研究团队在《Journal of CO2 Utilization》发表的研究，通过设计碳纳米纤维(CNF)负载钌(Ru)与碳酸钾(K₂
CO₃
)的双功能材料(DFM)，成功实现了常温捕碳与低温转化的突破性结合。

研究团队采用等体积浸渍法合成DFM材料，通过N₂
物理吸附表征孔隙结构，TEM分析钌颗粒尺寸（2.7-3.2 nm），XRD追踪KHCO₃
分解动态（60-130°C），并结合程序升温还原(TPR)证实Ru与K₂
CO₃
存在电子转移。核心实验采用固定床反应器进行20次DAC-转化循环测试，通过质谱在线监测产物分布。

材料特性验证
XRD显示KHCO₃
在70-130°C完全分解为K₂
CO₃
，TEM证实Ru粒径不受K₂
CO₃
负载影响。TPR揭示K₂
CO₃
使Ru还原温度升高15-20°C，证明两者存在强相互作用。

性能对比实验
DFM在225°C实现0.21 mmol_CO2
/g转化量，是物理混合体系(0.06 mmol_CO2
/g)的3.5倍。MS检测到190°C出现CO中间体，证实反应遵循羰基路径。关键发现是每Ru原子可吸附1-2个CO₂
分子，该"再吸附位点"数量直接决定转化上限。

构效关系解析
当K₂
CO₃
负载从2.5%增至15%时，CO₂
捕获量提升6倍，但转化量在10%后不再增长，表明Ru位点饱和。相反，Ru负载从0.8%增至3.1%可使转化量翻倍，且甲烷选择性从76%升至95%。

循环稳定性
20次循环后CO₂
捕获量从0.39降至0.29 mmol/g，但转化率保持85%以上。XRD证实KHCO₃
完全分解，性能衰减主要归因于K₂
CO₃
形态变化而非积碳。

这项研究开创性地证明了惰性载体DFM的协同机制：KHCO₃
分解产生的CO₂
能在邻近Ru位点再吸附，通过缩短扩散路径实现高效转化。相比传统两段式工艺，该设计将操作温度降低75°C，且无需蒸汽脱附步骤，为移动源碳减排提供了可规模化解决方案。特别值得注意的是，材料在空气中暴露时Ru会自发氧化（氧化度>85%），但H₂
环境下仍能保持优异活性，这为开发抗中毒催化剂提供了新思路。未来通过优化Ru分散度与K/Ru比例，有望进一步提升材料经济性。