高效低成本直接空气捕获技术：超活性湿度摆动吸附膜的突破性研究

面对全球气候变暖挑战，研究人员开发了一种基于聚四氟乙烯(PTFE)纤维化的自支撑湿度摆动吸附(MSA)膜，实现了99%活性组分负载和0.05mm超薄结构。该材料展现出1.79 mol/kg的CO2吸附容量和3.5分钟半吸附时间，规模化测试显示3.4 mol/kg/day的生产效率，为直接空气捕获(DAC)技术提供了经济高效的解决方案。

　　

全球气候变暖已成为人类面临的重大环境挑战，其中大气CO₂浓度持续升高是主要驱动因素。直接空气捕获(Direct Air Capture, DAC)技术作为实现碳中和目标的关键手段，能够直接从环境空气中捕集CO₂。然而现有技术面临两大瓶颈：传统温度摆动吸附(TSA)需要高能耗再生，而新兴湿度摆动吸附(Moisture Swing Adsorption, MSA)材料又存在活性组分负载量低、吸附动力学缓慢等问题。

针对这一技术难题，浙江大学制冷与低温研究所的研究团队在《Nexus》发表创新成果。他们通过独特的PTFE纤维化工艺，开发出具有超高活性组分含量(99 wt%)的自支撑多孔薄膜材料。该研究突破了传统成型技术限制：热压法会堵塞吸附孔隙，湿法成型又存在能耗高、活性组分稀释等缺陷。新材料仅需添加微量疏水性PTFE，就能在剪切力作用下形成三维纤维网络，实现树脂颗粒的高效包覆。

研究主要采用四项关键技术：1) PTFE纤维化干法成型工艺；2) 多参数热压优化(温度70°C、垂直加压30次)；3) 碱性离子交换(Na₂CO₃活化)；4) 规模化模块测试(20×20 cm薄膜堆叠)。通过密度泛函理论(DFT)计算揭示了PTFE与季铵基团的范德华作用机制，为材料设计提供理论支撑。

研究结果展现出多项突破性性能：

1. 材料特性：SEM显示PTFE纤维形成亚微米级网络结构，XRD证实复合材料保留PTFE结晶特征。BET测试表明经Na₂CO₃交换后材料恢复150nm大孔结构，平衡了吸附位点与传质效率。

2. 机械性能：通过垂直热压循环优化，薄膜拉伸强度提升39倍至8.66 MPa。即使仅含1 wt% PTFE仍保持1.21 MPa强度，满足工业应用需求。

3. 吸附性能：最优配方(D290树脂99%、厚度0.05mm)在20°C/10%RH条件下实现1.79 mol/kg吸附容量，半吸附时间仅3.5分钟，较文献报道的MSA材料提升2-10倍。湿度敏感性测试显示，RH从10%升至70%时容量降至0.89 mol/kg，验证了MSA机制。

4. 规模化验证：构建的层叠式吸附模块(2mm间距)在30m³/h流量下获得0.98 mol/kg工作容量，日生产率达3.4 mol/kg/day，突破TSA系统能效瓶颈。

5. 全球适用性：经济模型显示该技术在干旱/半干旱地区(如埃及Kharga)具有显著优势，最低捕集成本155.4美元/吨CO₂，较传统DAC技术降低30-50%。

这项研究通过创新的材料成型策略解决了MSA技术产业化的关键障碍。PTFE纤维化技术不仅实现了超高活性组分负载，还创造了理想的介/大孔结构，使吸附动力学与容量同步提升。研究者提出的"吸附-环境湿度再生"循环机制，避免了传统TSA的热能需求，为开发新一代低碳DAC系统提供了范式。该材料在干旱地区的应用优势尤为突出，有望成为实现《巴黎协定》温控目标的重要技术选项。值得注意的是，研究也指出高湿度环境下的性能衰减问题，建议未来结合空气除湿系统构建混合捕集工艺。这项由Ying Ji和Shen Chen共同主导的工作，为碳中和目标下的负排放技术发展提供了切实可行的材料解决方案。