综述：用于CO2捕集的胺溶剂催化再生：从机理洞察到系统集成

《Carbon Capture Science & Technology》：Catalytic regeneration of amine solvents for CO 2 capture: From mechanistic insights to system integration

　　

胺基溶剂再生所需的高能耗仍然是部署碳捕集、利用与封存（carbon capture, utilization, and storage, CCUS）的主要经济障碍。催化解吸已成为降低这一能源代价的一种有前景的策略。该方法采用固体酸催化剂来加速溶剂再生。这些材料提供表面酸性位点，促进捕获的CO₂络合物的分解，从而在较低温度下实现高效操作。本综述全面分析了该领域的最新进展。首先，本研究考察了不同催化剂的工作机理，包括基于Br?nsted酸性、Lewis酸性和氧化还原反应的催化剂。此外，本研究还讨论了各种催化材料的发展，从结构化整体式催化剂到酸性离子液体。同时讨论了催化剂与先进溶剂体系之间的协同作用。此外，强调了用于提高过程效率的创新反应器设计。总之，将定制催化剂与先进溶剂和反应器工程相结合，为显著降低CO₂捕集的能源成本提供了一条可行途径，支持这一关键技术的规模化应用。本综述为未来开发经济上更优的CCUS技术奠定了坚实基础。

1. 引言
化石燃料燃烧产生的人为CO₂排放是全球变暖的主要驱动因素。国际能源署预测2050年全球CO₂捕集能力需扩大约200倍。碳捕集、利用与封存（CCUS）是实现脱碳的关键技术，但高昂成本仍是主要部署障碍。以单乙醇胺（MEA）为基准溶剂的胺法洗涤是最成熟的燃烧后CO₂捕集技术，其热再生过程消耗电厂输出功率的25–40%，占捕集过程总运行成本的60–80%。催化解吸通过引入固体酸催化剂降低限速步骤的动力学能垒，使溶剂在低于100°C下有效再生，直接削减显热和潜热负荷。

2. 文献检索与筛选标准
作者系统检索了Web of Science、Scopus和百度学术三个数据库，使用“catalytic CO₂ desorption”“catalytic amine regeneration”“solid acid catalyst”与“amine”“MEA”“blended amine”等关键词组合，限定2015–2026年间同行评议英文文献，初检约720条记录，经去重、筛选后最终纳入约130篇具有定量性能数据或机理见解的文章。综述还对“催化剂”“促进剂”和“催化剂-溶剂协同作用”给出了明确定义。

3. 催化CO₂解吸的基础机理
3.1 非催化解吸路径
伯胺和仲胺吸收CO₂后主要形成氨基甲酸盐，解吸限速步骤为C—N键断裂，需100–120°C高温热能。叔胺如甲基二乙醇胺（MDEA）无法生成氨基甲酸盐，CO₂主要以碳酸氢盐形式存在，但其去质子化步骤因胺碱性高于水而强吸热，整体速率仍受动力学限制。纯热路径依赖高品位热能且高温加剧溶剂降解，亟需低温催化策略。

3.2 酸催化解吸路径
Br?nsted酸性位（BAS）机制中，表面质子作为质子穿梭体，质子化氨基甲酸根形成氨基甲酸中间体，再从邻近质子化胺夺取质子以再生酸性位，显著降低总解吸活化能。Lewis酸性位（LAS）机制中，不饱和配位金属阳离子与氨基甲酸根羰基氧配位，极化C=O键并削弱相邻C—N键。BAS–LAS协同催化中，LAS吸附极化氨基甲酸根、BAS提供质子促进断裂，表观活化能可降低15–35 kJ/mol，使CO₂在80–100°C释放。代表性催化剂如Fe–SBA–15–SO₃H、NiO/褶皱SBA–15及SO₄^2?/TiO₂–HZSM–5均表现出100%–200%以上的解吸速率提升和20%–60%的相对热负荷降低。

3.3 过渡金属氧化物的氧化还原催化路径
过渡金属氧化物利用可变氧化态（如Mn³⁺/Mn⁴⁺、Fe²⁺/Fe³⁺）与氧储存能力，通过质子耦合电子转移降低氨基甲酸盐分解能垒。MnOOH改性催化剂在0.2 wt%添加量下使CO₂解吸效率提升68.2%，能耗降低31.8%；Mn15–SAPO催化剂在90°C下使解吸速率提高31.0%、解吸量增加133.3%、再生热负荷降低57.1%。CuO–KIT–6因高Br?nsted酸密度和大介孔表面积，相对能耗从空白100降至66.6。

3.4 水及碳酸氢盐/碳酸盐物种的作用
水不仅是溶剂，还作为质子转移网络中的动态参与者，通过氢键中继链将单一高能质子转移拆分为多个低能步骤。计算研究表明，水作为直接质子受体的活化能高达196.57 kJ/mol，动力学上不利，但作为间接质子穿梭体至关重要。碳酸氢根/碳酸根是可逆转化中的关键中间体，Lewis酸位可与其配位削弱O—H或C—O键；碳酸氢根还可与阳离子耦合形成质子通道，加速质子化胺去质子化。

4. 催化材料
4.1 沸石催化剂
H型沸石（HZSM–5、H–β、H–丝光沸石）的催化效率由Br?nsted酸位密度与孔结构协同决定。介孔HZSM–5经碱脱硅处理后解吸速率提升350–580%，能耗降低24–37%；分级H–β使解吸速率提升200.1%、容量增加79.0%、再生能耗降低44.1%；铁改性HZSM–5使CO₂释放量增加38%、能耗降低27