综述：利用湿度进行直接空气捕获：湿度摆动吸附剂的设计与机制

这篇综述系统总结了基于湿度摆动（Moisture-Swing）技术的CO2捕获材料（DAC/PCC）研究进展，重点探讨了季铵盐功能化多孔聚合物、生物质载体及阴离子交换树脂（IER）的设计策略，揭示了CO32-/HCO3-水解平衡的分子机制，为开发低能耗（30-40 kJ mol-1）、高稳定性CO2吸附材料提供了创新思路。

　　

引言

全球变暖主要由CO₂排放驱动，2023年人为CO₂排放量超过400亿吨。尽管可再生能源转型至关重要，但直接空气捕获（DAC）和燃烧后捕获（PCC）技术对实现净零排放目标不可或缺。传统液体胺吸附剂（如MEA）存在腐蚀性强、能耗高等缺陷，而固体吸附剂通过物理/化学吸附机制展现出更大潜力，其中湿度摆动技术利用环境湿度变化驱动CO₂吸附-脱附循环，能耗仅为温度摆动的50%（34.3 kJ mol^-1）。

湿度摆动吸附剂设计

多孔聚合物载体

通过胶体晶体模板法可构建三维有序大孔（3-DOM）聚合物，例如以PMMA为模板、乙烯基苄基三甲基氯化铵（VBTMACl）为单体，经交联聚合后获得孔径480 nm的互联网络。预合成OH^-型交联剂（如PMVPMAOH）可避免碱性条件下孔结构坍塌，其CO₂摆动容量达0.57 mmol g^-1。高内相乳液（HIPE）聚合法制备的Pickering多孔材料因二氧化硅纳米颗粒稳定的大孔结构（2-30 μm），展现出7.6×10^-1 mmol g^-1的高性能。

生物质基材料

改性竹纤维素通过(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵季铵化后，在65%相对湿度（RH）下吸附容量达0.14 mmol g^-1，且疏水特性使其在潮湿环境中保持性能。椰子壳活性炭（CSAC）经HNO₃氧化和氨基硅烷功能化后，与双三氟甲磺酰亚胺（Tf₂N^-）离子交换，CO₂吸附量提升至2.40 mmol g^-1（0.5 MPa）。

阴离子交换树脂优化

商业树脂（如IRA-900）经CO₃^2-交换后，CO₂捕获量达3.41 mmol g^-1。双季铵化树脂（DQ-AER）通过引入N,N,N',N'-四乙基乙二胺（TEMED）使活性位点密度倍增。磷酸根（PO₄^3-）替代碳酸根可提升动力学性能，因单个PO₄^3-可水解生成2个OH^-。

作用机制与表征

密度泛函理论（DFT）计算显示，当水分子数n<7时，CO₃^2-水解为HCO₃^-和OH^-的自由能变化为负值（-10 kcal mol^-1），促进CO₂吸附；而n>8时反应逆转。¹³C NMR证实161 ppm处HCO₃^-特征峰随湿度增加而减弱，表明CO₂释放。疏水材料（如PVDF掺杂树脂）通过限制水分子渗透，在84.7% RH下仍保持0.9 mmol g^-1的吸附量。

结论与展望

未来研究需聚焦：1）构建分级孔结构降低传质阻力；2）开发磷酸盐等新型功能阴离子；3）利用点击化学简化生产工艺；4）生物质材料的规模化改性。通过整合多尺度结构设计与分子动力学模拟，可推动湿度摆动技术成为应对气候变化的利器。