连续低温光热CO2解吸实现可规模化太阳能驱动直接空气捕获（DAC）

《Engineering》：Continuous Low-Temperature Photothermal CO 2 Desorption Enables Scalable Solar-Driven Direct Air Capture

　　

直接空气捕获（Direct air capture，DAC）日益被认为是实现碳中和不可或缺的负排放技术。然而，其实践部署受到能耗密集的CO₂解吸、高解吸温度、稳定性差和复杂间歇操作等因素的严重制约。在此，研究人员提出了一种连续低温光热CO₂解吸策略，可实现规模化太阳能驱动的DAC。研究人员开发了适用于规模化应用的光热聚乙烯亚胺-聚乙二醇（polyethyleneimine–polyethylene glycol，PEI–PEG）功能化颗粒，该颗粒同时表现出87.4%的高宽带太阳能吸收率、1.2 mmol·g^?1的良好CO₂吸附容量以及66 °C的超低解吸温度。其潜在机理归因于PEI与PEG之间形成的氢键交联网络，该网络稳定了胺基活性位点并降低了内部CO₂扩散的空间位阻。在此基础上，研究人员首次通过将PEI–PEG吸附颗粒与沙漏型自滚动反应器集成，建立了公斤级连续光热CO₂解吸系统。由于颗粒的高太阳能吸收率、低解吸温度以及颗粒流动与入射光能之间的动态平衡，该系统展现出24.8%的显著太阳能-化学效率，远高于间歇式批处理反应器系统的11.5%。这项工作通过连续低温光热CO₂解吸，为可规模化、高效和低碳足迹的DAC建立了一条有前景的路径。

随着全球能源需求与经济发展不断攀升，大气CO₂浓度已从工业革命前的280 ppm升至目前的422.8 ppm，深刻影响地球气候与生态系统，碳中和成为全球重要议程。碳捕集是达成气候目标的关键策略，但现有技术主要面向大型固定排放源，而交通、建筑等分散源占全球CO₂排放的30%–50%。直接空气捕获（Direct air capture，DAC）作为负排放技术，可在任意地点按需捕集CO₂，对实现碳中和具有重要潜力。然而，现有固态胺吸附剂存在解吸能耗高、再生温度高（可达120 °C）、循环稳定性差等问题；太阳能驱动的光热解吸虽能降低碳足迹，但粉末体系存在压降大、温度不均，批次系统需停机更换吸附剂，连续光热解吸工艺尚未实现。因此，开发兼具高稳定性与低温再生能力的吸附剂，并建立可规模化连续运行的太阳能驱动DAC系统，是当前研究的核心挑战。

为此，研究人员提出了连续低温光热CO₂解吸策略，开发了聚乙烯亚胺-聚乙二醇（polyethyleneimine–polyethylene glycol，PEI–PEG）复合功能化介孔颗粒，并通过与沙漏型自滚动反应器集成，首次构建了公斤级连续光热CO₂解吸系统。PEI–PEG氢键交联网络稳定了胺基活性位点并降低了CO₂扩散位阻，使材料兼具87.4%的高太阳能吸收率、1.2 mmol·g^?1的CO₂吸附容量以及66 °C的超低解吸温度；连续系统获得了24.8%的太阳能-化学效率，显著优于批处理系统的11.5%。该成果发表在《Engineering》。

研究过程中采用的主要关键技术方法包括：以硅胶、凹凸棒石、Mn₂O₃等为原料经球磨、成型、煅烧制备介孔颗粒（mesoporous pellets，MP），利用旋转蒸发真空浸渍法将PEI和PEG共负载于孔道内，得到MP-P₂₅-10-Mn5吸附剂（含Mn₂O₃以提高光热转化能力）。通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TG）、原位漫反射红外光谱（DRIFTS）等手段表征材料结构、组分与吸附机理；采用热重分析仪及动态吸附分析仪测定CO₂吸附容量、等量吸附热与循环稳定性；搭建了包含太阳能模拟器、供料/卸料系统、反应腔体、温度监控、气体控制及尾气分析仪的沙漏型自滚动连续光热反应器，并使用质谱仪实时分析出口CO₂浓度。实验过程中未涉及样本队列。

3.1 制备与表征：SEM显示MP-Mn5颗粒呈均匀圆柱形多孔结构，PEI浸渍后颗粒尺寸基本保持，EDS和FTIR确认PEI和Mn₂O₃成功负载且均匀分布；FTIR中N–H和C–O–C吸收峰红移，DSC中PEI–PEG混合物出现宽吸热峰，¹H NMR中质子共振信号发生一致的下场位移，共同证实PEI与PEG间形成N–H···O氢键交联网络，为后续吸附性能与低温再生提供结构基础。

3.2 CO₂吸附–解吸性能：在15 vol% CO₂气氛下，随PEG含量增加，吸附容量呈火山型趋势，MP-P25-10获得最优容量1.2 mmol·g^?1；PEG引入使胺效率从0.15提升至0.22，并增强CO₂物理吸附。动力学分析显示，PEG将解吸表观活化能从44.72 kJ·mol^?1降至34.81 kJ·mol^?1，等量吸附热从?108.56降至?96.57 kJ·mol^?1，解吸温度由100 °C降至66 °C，且66 °C下脱附率可达98%。原位DRIFTS表明，PEG增强物理吸附并促进低温解吸；循环测试显示MP-P25-10在40次循环后保持85%初始容量，而MP-P25-0在10次循环内即降至70%。

3.3 连续光热CO₂解吸：Mn₂O₃掺杂使颗粒太阳能吸收率从38.3%显著提升至87.4%，在4.5 kW·m^?2光照下颗粒表面温度迅速升至89.8 °C，30分钟即实现90%解吸。沙漏型自滚动反应器通过重力驱动颗粒流动与连续供料，维持反应器稳定运行2小时以上。该系统获得24.8%的太阳能-化学效率，而传统固定床批处理系统仅为11.5%。能量流分析表明，入射太阳能经石英窗透射（93.4%）、颗粒吸收（87.4%）后，最终24.8%转化为化学能，38.8%用于显热，17.1%为反应器热损失。与文献报道的太阳能驱动DAC材料相比，MP-P25-10-Mn5在高吸附容量、低解吸温度、稳定性和规模化潜力方面具有综合优势；该材料成本约为3.5 USD·kg^?1，远低于商品化ZSM-5（70 USD·kg^?1）。实际空气捕获实验中，约40%相对湿度下CO₂吸附容量为1.04 mmol·g^?1，水吸附为0.17 mmol·g^?1，高湿度会抑制CO₂吸附但仍以CO₂吸附为主。重复循环后材料结构与孔道基本保持稳定，验证了系统的连续运行可靠性。

讨论部分进一步指出，PEI–PEG氢键网络通过抑制胺团聚、降低扩散位阻和吸附焓，在低温下实现了高效再生；沙漏型反应器通过颗粒流与光能输入的动态匹配，克服了批次间歇操作的能耗损失，为大规模DAC提供了新途径。研究结论：研究人员展示了一种用于可规模化DAC的连续低温光热CO₂解吸策略。所开发的PEI–PEG复合吸附颗粒同时具备高太阳能吸收率（87.4%）、良好CO₂容量（1.2 mmol·g^?1）和66 °C的低温解吸特性。PEI与PEG间的氢键网络是稳定吸附剂、促进CO₂扩散、从而降低再生能耗的关键。进一步地，将该颗粒与沙漏型自滚动反应器集成，首次建立了公斤级连续光热解吸系统，该系统通过颗粒流动与太阳能输入的动态平衡实现了24.8%的太阳能-化学效率。这项工作为能效高、可规模化且真正低碳足迹的直接空气捕获提供了新颖且有前景的路径。