关于使用掺钛的K2CO3/ZrO2复合吸附剂进行直接空气捕获的研究：结合了实验、表征和第一性原理计算的方法

《Chemical Engineering Journal》：Study on direct air capture using Ti-doped K2CO3/ZrO2 composite adsorbent: A combination of experimental, characterization and first-principles calculations

TiO?掺杂的K?CO?/ZrO?复合吸附剂显著提升直接空气捕获性能，实现150℃低温再生和2.11 mmol/g高吸附容量，循环稳定性达27次。

　　

庄琦|陈晓萍|徐泽林|刘子|马继良|张凤元|蔡亮

中国江苏省东南大学能源与环境学院能源热转换与控制教育部重点实验室，南京，210096

摘要

直接空气捕集（DAC）技术被广泛认为是实现负碳排放的有前景策略。基于碱金属的复合固体吸附剂对二氧化碳具有很强的化学亲和力和高反应选择性，但通常存在较高的再生能耗和低循环效率问题，这限制了它们的实际应用。在这项研究中，开发了一种掺杂了TiO₂的K₂CO₃/ZrO₂复合吸附剂，以提高DAC的性能。通过详细的表征结合第一性原理计算发现，Ti的引入有助于形成氧空位并降低KHCO₃的能垒，从而改善了CO₂的吸附和脱附动力学。改性样品的饱和CO₂吸附容量达到2.11 mmol/g，并在固定床系统中于约150°C下完全再生，碳化转化率为92.59%，相比未改性样品提高了74.38%。此外，该吸附剂在多种条件下的连续27个循环中保持了稳定的工作容量，范围为1.15至1.32 mmol/g，超过了大多数报道的基于碱金属的吸附剂的性能，显示出其在DAC应用中的巨大潜力。

引言

二氧化碳驱动的温室效应是全球气候变化的主要原因，加剧了全球变暖、海平面上升和极端天气事件[1]。根据世界气象组织的数据，大气中的CO₂浓度从1750年的277 ppm显著增加到2024年的423.9 ppm[2]，对生态系统和人类社会构成了日益严重的风险。虽然可再生能源和效率的进步减缓了碳排放的增长[3]，但要实现《巴黎协定》1.5°C的目标仍需要大规模的二氧化碳去除。直接空气捕集（DAC）通过直接从环境中提取CO₂提供了一种可行的负排放途径[4],[5]。

DAC过程主要分为液体吸收和固体吸附[6],[7],[8],[9]。虽然液体吸收方法具有较高的CO₂捕获能力，但它需要能量密集型的再生过程并且会导致腐蚀[10]。固体吸附剂由于能耗较低且操作简便，成为更实际的选择。在各种固体吸附剂[9],[11],[12],[13]中，与容易氧化降解的胺基材料[13]以及合成过程复杂且成本高昂的MOF材料[14],[15]相比，基于碱金属的材料（如K₂CO₃、Na₂CO₃）具有独特的优势[9],[11],[12],[16]。它们能与CO₂形成稳定的碳酸盐（方程（1）），并在150–200°C下再生（方程（2）），从而提供高CO₂捕获能力和热力学优势。其中，基于K₂CO₃的吸附剂具有宽的碳化温度范围、快速的反应速率、可扩展的制备方法，且不会造成二次污染[17]。这些综合优势使得基于钾的吸附剂成为DAC应用中的有希望的候选材料。

介绍

二氧化碳驱动的温室效应是全球气候变化的主要原因，加剧了全球变暖、海平面上升和极端天气事件[1]。根据世界气象组织的数据，大气中的CO₂浓度从1750年的277 ppm显著增加到2024年的423.9 ppm[2]，对生态系统和人类社会构成了日益严重的风险。尽管可再生能源和效率的进步减缓了碳排放的增长[3]，但要实现《巴黎协定》1.5°C的目标仍需要大规模的二氧化碳去除。直接空气捕集（DAC）通过直接从环境中提取CO₂提供了一种可行的负排放途径[4],[5]。

DAC过程主要分为液体吸收和固体吸附[6],[7],[8],[9]。虽然液体吸收方法具有较高的CO₂捕获能力，但它需要能量密集型的再生过程并且会导致腐蚀[10]。固体吸附剂由于能耗较低且操作简便，成为更实际的选择。在各种固体吸附剂[9],[11],[12],[13]中，与容易氧化降解的胺基材料[13]以及合成过程复杂且成本高昂的MOF材料[14],[15]相比，基于碱金属的材料（如K₂CO₃、Na₂CO₃）具有独特的优势[9],[11],[12],[16]。它们能与CO₂形成稳定的碳酸盐（方程（1）并在150–200°C下再生（方程（2）），从而提供高CO₂捕获能力和热力学优势。其中，基于K₂CO₃的吸附剂具有宽的碳化温度范围、快速的反应速率、可扩展的制备方法，且不会造成二次污染[17]。这些综合优势使得基于钾的吸附剂成为DAC应用中的有希望的候选材料。

引言

二氧化碳驱动的温室效应是全球气候变化的主要原因，加剧了全球变暖、海平面上升和极端天气事件[1]。根据世界气象组织的数据，大气中的CO₂浓度从1750年的277 ppm显著增加到2024年的423.9 ppm[2]，对生态系统和人类社会构成了日益严重的风险。尽管可再生能源和效率的进步减缓了碳排放的增长[3]，但要实现《巴黎协定》1.5°C的目标仍需要大规模的二氧化碳去除。直接空气捕集（DAC）通过直接从环境中提取CO₂提供了一种可行的负排放途径[4],[5]。

DAC过程主要分为液体吸收和固体吸附[6],[7],[8],[9]。虽然液体吸收方法具有较高的CO₂捕获能力，但它需要能量密集型的再生过程并且会导致腐蚀[10]。固体吸附剂由于能耗较低且操作简便，成为更实际的选择。在各种固体吸附剂[9],[11],[12],[13]中，与容易氧化降解的胺基材料[13]以及合成过程复杂且成本高昂的MOF材料[14],[15]相比，基于碱金属的材料（如K₂CO₃、Na₂CO₃）具有独特的优势[9],[11],[12],[16]。它们能与CO₂形成稳定的碳酸盐（方程（1）并在150–200°C下再生（方程（2）），从而提供高CO₂捕获能力和热力学优势。其中，基于K₂CO₃的吸附剂具有宽的碳化温度范围、快速的反应速率、可扩展的制备方法，且不会造成二次污染[17]。这些综合优势使得基于钾的吸附剂成为DAC应用中的有希望的候选材料。