无载体疏水固体胺聚合物用于直接空气捕集二氧化碳

《ChemComm》：Support-free hydrophobic solid amine polymer for direct air capture of carbon dioxideOpen Access

　　

直接空气捕集(DAC)在CO₂捕集过程中面临与水共吸附相关的挑战。研究人员报道了一种自支撑疏水固体胺聚合物，在实际DAC条件下表现出5.2 wt%的CO₂捕集量，并将水吸附量抑制至9.2 wt%，比传统对照材料低2.9倍。

直接空气捕集(DAC)作为一种二氧化碳去除(CDR)技术，能够直接从环境空气中捕集CO₂，但空气中CO₂浓度极低（约430 ppm），要求吸附剂兼具高选择性、低分压下的强亲和力、快速动力学和可控再生能耗。传统固体胺吸附剂通常将聚乙烯亚胺(PEI)浸渍或接枝到多孔载体（如SiO₂）上，在捕集过程中会共吸附大量水，导致与CO₂竞争吸附位点、堵塞孔道、增加系统复杂度及除水能耗，显著提高工艺和运行成本。以往通过疏水载体或分子级疏水改性可在一定程度上降低水吸附，但仍依赖多孔载体且合成步骤繁琐。因此，开发一种简单、无载体的疏水固体胺材料具有重要意义。

研究人员通过氰尿酰氯(CC)与聚乙烯亚胺(PEI)的分步交联反应，构建了自支撑疏水固体胺网络(PEI#CC)，并将其直接应用于DAC。在实际空气（~430 ppm CO₂）和50%相对湿度条件下，PEI#CC的CO₂捕集量达5.2 wt%（1.18 mmol g^?1），水吸附量仅为9.2 wt%，比传统浸渍型吸附剂PEI/SiO₂（26.9 wt%）低2.9倍；达到90%捕集容量仅需6.5 h，而PEI/SiO₂需要19.2 h；程序升温脱附显示PEI#CC在54 °C即达到CO₂释放峰值，较PEI/SiO₂（80 °C）大幅降低；在70 °C空气中加速老化7天后，PEI#CC仍保留>90%的初始容量，而PEI/SiO₂损失约50%。相关成果发表于《ChemComm》。该研究提供了一种简单的一锅法、无载体疏水固体胺设计原则，有望降低DAC的能耗与运行成本。

主要关键技术方法包括：分步交联反应合成PEI#CC；傅里叶变换红外光谱(FTIR)和正电子湮没寿命谱(PALS)表征结构与孔径；接触角测量评估疏水性；以实际空气（~430 ppm CO₂、50%相对湿度）为原料气进行动态DAC测试，以传统PEI/SiO₂为对照；利用程序升温脱附(TPD)研究再生温度；通过70 °C空气中7天加速老化实验考察长期稳定性。

研究结果：

1. 材料合成与表征：FTIR证实