综述：碳捕集技术综述：从常规方法到新兴电化学技术

本综述系统评述了从传统碳捕集技术（如吸收法、吸附法、膜分离和低温蒸馏）到新兴电化学方法（如pH摆动法、氧化还原载体、双极膜电渗析、CO2电还原和电化学矿化）的研究进展，重点分析了电化学碳捕集（ECC）在能耗、模块化设计及与可再生能源整合方面的优势，为应对全球气候变化提供关键技术路径。

　　

引言

人为活动导致全球气候系统发生前所未有的变化，大气中二氧化碳（CO₂）浓度持续上升，成为全球气候变暖的关键驱动因素。根据《巴黎协定》和联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的要求，需将温升控制在2°C以内，并在2060年前将CO₂排放削减75%。碳捕集、利用与封存（CCUS）技术通过从工业流程中捕集CO₂，并将其储存或转化为高附加值产品，成为减少碳排放的核心策略之一。

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常规碳捕集技术

按分离技术分类

常规碳捕集技术主要包括吸收法、吸附法、膜分离法和低温分离法。

1. 1.

   吸收法

   吸收法是最成熟且应用最广泛的碳捕集技术，分为化学吸收和物理吸收。化学吸收使用胺类溶剂（如单乙醇胺MEA），通过可逆反应实现85–95%的CO₂去除率，但溶剂再生能耗高，可达3.7 GJ/吨CO₂。物理吸收（如Selexol和Rectisol）依赖CO₂在溶剂中的溶解度，适用于高压条件，但受限于操作环境的温度和压力。

2. 2.

   吸附法

   吸附法利用固体吸附剂（如活性炭、沸石和金属有机框架材料MOFs）捕获CO₂，并通过变温吸附（TSA）或变压吸附（PSA）实现吸附剂再生。尽管吸附剂具备高吸附容量（可达39 mmol/g），但面临水分敏感性和再生能耗高的问题。

3. 3.

   膜分离法

   膜分离技术借助气体在膜材料中的渗透性差异实现CO₂分离。聚合物膜（如聚丙烯）和无机膜（如钯基膜）在渗透性和选择性之间存在权衡，且易发生膜润湿和长期稳定性问题。纳米复合膜和离子液体膜（SILMs）通过改性显著提高了CO₂渗透率。

4. 4.

   低温分馏法

   低温法通过冷凝和升华在极低温度（如-110°C）下分离CO₂，可获得高纯度CO₂（>99%），但能耗较高（3.28 kWh/kg），且设备复杂、成本昂贵。

按燃烧过程分类

根据燃烧阶段，碳捕集可分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集。

1. 1.

   燃烧前捕集

   燃烧前捕集主要应用于整体煤气化联合循环（IGCC）系统，通过水煤气变换反应产生高浓度CO₂（80–90%），再通过物理吸收或膜分离进行捕集。尽管效率较高，但系统复杂且投资成本高。

2. 2.

   燃烧后捕集

   燃烧后捕集直接从烟气中捕获CO₂（浓度通常为12–15%），胺类溶剂（如MEA和MDEA）是常用吸收剂。该方法可改造现有电厂，但溶剂再生能耗大，且对烟气中的杂质（如SO_x和NO_x）敏感。

3. 3.

   富氧燃烧捕集

   富氧燃烧使用纯氧代替空气进行燃烧，产生以CO₂和水蒸气为主的烟气，简化了分离过程。尽管捕集效率超过90%，但制氧能耗高，且需要耐高温材料。

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电化学CO₂捕集技术

电化学碳捕集（ECC）利用电能驱动CO₂的捕集和转化过程，具有能耗低、模块化程度高、可与可再生能源结合等优势。

1. pH摆动法

pH摆动法通过电解调节溶液pH值，使CO₂在碱性条件下被吸收，在酸性条件下被释放。例如，利用胺类缓冲剂（如MDEA）结合氢氧化还原反应，可在环境条件下实现CO₂解吸，能耗低至63 kJ/mol。双极膜电渗析（BPMED）进一步提高了酸和碱的生成效率，适用于大规模CO₂矿化。

2. 氧化还原活性载体

氧化还原活性分子（如醌类和氮杂环化合物）通过电化学还原和氧化可逆地捕获和释放CO₂。例如，氮杂吡啶（AzPy）在二甲基亚砜（DMSO）中可实现85%的CO₂利用率，能耗为127.3 kJ/mol。这类系统对氧气具有一定的耐受性，适合直接空气捕集（DAC）应用。

3. 电化学CO₂还原

电化学CO₂还原（eCO?RR）将捕获的CO₂转化为化学品或燃料，如甲烷、乙烯、甲酸等。铜基催化剂可实现70–80%的多碳产物法拉第效率，而金、银催化剂则倾向于生成一氧化碳（CO）。离子液体（如EMIM-BF₄）作为电解质可降低过电位并提高反应速率。

4. 电化学矿化

电化学矿化通过电解产生的酸和碱加速矿物溶解和碳酸盐沉淀，实现CO₂的永久封存。例如，利用电解产生的硫酸处理红泥（碱性废渣），可同时中和废物和矿化CO₂，能耗仅为0.039 GJ/吨红泥。

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材料创新与催化剂设计

催化剂的性能直接影响电化学碳捕集的效率和经济性。金属有机框架（MOFs）及其衍生物具有高比表面积和可调结构，可用于优化反应路径。铜基催化剂在eCO?RR中表现优异，可实现高选择性多碳产物生成。纳米结构电极（如Fe-Ni-Ru@FeO_x核壳纳米粒子）提高了反应动力学和稳定性。此外，生物质衍生的碳材料（如玉米淀粉制备的Ni-N-C催化剂）在降低成本的同时实现了92%的CO法拉第效率。

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环境与经济性分析

电化学碳捕集技术的环境效益主要体现在低能耗、与可再生能源的兼容性以及副产物的高价值化。例如，eCO?RR产生的乙烯、甲酸等化学品可抵消部分操作成本。技术经济分析表明，微生物电解碳捕集（MECC）的净成本约为48美元/吨CO₂，与传统方法相比具备竞争力。然而，初始投资成本、催化剂寿命和系统稳定性仍是规模化应用的挑战。

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技术挑战与未来方向

当前电化学碳捕集技术仍面临多项挑战：

1. 1.

   材料稳定性：氧化还原活性分子在长期循环中可能降解，需开发更稳定的载体。

2. 2.

   选择性提升：烟气中的杂质（如SO_x和NO_x）可能毒化催化剂，需提高系统抗干扰能力。

3. 3.

   能耗优化：进一步降低电解过电位和离子传输阻力。

4. 4.

   系统集成：将ECC与可再生能源发电、工业流程和碳利用路线结合，实现全过程优化。

未来研究应聚焦于新型催化剂设计、膜材料创新、工艺放大以及政策与市场机制的构建，以推动电化学碳捕存技术的商业化应用。

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结论

电化学碳捕存技术通过将CO₂捕获与转化相结合，不仅降低了能耗和设备复杂度，还为碳循环利用提供了可持续路径。尽管在材料、效率和成本方面仍存在挑战，但随着技术进步和系统优化，ECC有望成为实现碳中和目标的关键技术之一。