胺协同调控碳酸氢盐路径：三元复配胺体系高效捕获CO2的分子机制与工程应用

针对传统胺法CO2捕集存在再生能耗高、碳酸酯路径主导等问题，研究人员通过分子设计开发了AMP/PZ/HMPD三元复配体系（APH）。该研究揭示了三种协同促进碳酸氢盐生成的路径，实现吸收速率达30 wt% MEA水平（0.00206 mol?min?1），循环容量提升175%（0.553 mol?mol?1），再生能耗降低41%（2.32 GJ?t?1 CO2），为工业碳捕集提供了新型高效吸收剂。

　　

随着全球燃煤电厂持续排放大量CO₂（温室气体GHG主要来源），发展高效碳捕集技术成为当务之急。尽管离子液体吸收剂、单原子解决方案等新技术不断涌现，化学吸收法因其与烟气条件（10%-15% CO₂分压、含水蒸气等）的高度兼容性，仍被视为最经济可行的后燃烧捕集方案。然而传统单胺体系如MEA（单乙醇胺）面临根本性矛盾：碳酸酯（carbamate）路径导致再生能耗高达85 kJ?mol^?1，而热力学更优的碳酸氢盐（bicarbonate）路径（ΔH≈45 kJ?mol^?1）又缺乏系统调控手段。浙江大学能源工程学院的研究团队通过分子工程策略，创新性地构建了AMP（2-氨基-2-甲基-1-丙醇）/PZ（哌嗪）/HMPD（4-羟基-1-甲基哌啶）三元复配体系APH，相关成果发表于《Journal of Cleaner Production》。

研究采用多尺度实验与理论计算相结合的方法：通过吸收-解吸循环测试评估性能指标，结合¹³C NMR和FTIR解析反应路径，利用DFT计算阐明分子协同机制，并开展VLE（气液平衡）、电化学腐蚀和加速氧化实验验证稳定性。

CO₂吸收与解吸性能
预筛选发现PZ/HMPD二元体系具有最高吸收负载量（0.746 mol?mol^?1）。引入具有空间位阻效应的AMP后，优化配比的APH体系（7.5 wt% AMP/7.5 wt% PZ/15 wt% HMPD）在1小时内达到0.724 mol?mol^?1吸收量，解吸效率达92.3%，循环容量比MEA提升175%。

反应机理研究
¹³C NMR证实APH体系通过三重协同路径促进碳酸氢盐生成：1）AMP的位阻效应诱导碳酸酯水解；2）PZ衍生的逐步碳酸酯水解；3）HMPD催化CO₂直接水合。DFT计算显示，HMPD的pKa（9.62）与PZ（9.73）匹配，优化了质子转移动力学。

系统性能验证
APH展现出2.32 GJ?t^?1 CO₂的低再生能耗（较MEA降41%），腐蚀速率仅0.0358 mm/年，14天氧化实验后活性保持88%。这些优势源于分子设计精准调控了位阻效应、氮原子电子密度和可及性的平衡。

该研究首次建立了胺分子结构-协同机制-体系性能的定量关系，提出的"反应路径工程"设计原则为开发碳酸氢盐主导的吸收剂提供了新范式。APH体系在保持工业兼容性的同时，实现了吸收动力学、再生效率和长期稳定性的协同突破，对推动碳捕集技术规模化应用具有重要实践意义。