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特別說(shuō)明：本文由米測(cè)技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。

原創(chuàng)丨米測(cè)MeLab

編輯丨風(fēng)云

研究背景

二氧化碳（CO₂）的直接空氣捕獲（DAC）是一項(xiàng)很有前途的技術(shù)，可以主動(dòng)從大氣中去除二氧化碳，應(yīng)對(duì)氣候危機(jī)，是一種新興的降低大氣中二氧化碳含量的技術(shù)。

關(guān)鍵問(wèn)題

然而，DAC技術(shù)的發(fā)展主要存在以下問(wèn)題：

1、 DAC技術(shù)面臨高成本和巨大能源需求的挑戰(zhàn)

DAC技術(shù)目前面臨的主要挑戰(zhàn)之一是其高昂的成本和巨大的能源需求。傳統(tǒng)的DAC過(guò)程需要大量能源來(lái)捕獲CO?。此外，DAC系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本較高，主要由于所需的先進(jìn)材料、復(fù)雜的工藝流程以及大量的能源消耗。

2、氣相CO₂光還原工藝對(duì)CO₂的純度要求較高，且存在熱力學(xué)挑戰(zhàn)

大多數(shù)DAC技術(shù)捕獲的CO?需要進(jìn)一步處理才能用于高附加值產(chǎn)品。現(xiàn)有CO?利用技術(shù)通常需要純CO?作為碳源，這增加了額外的分離和提純成本。此外，氣相CO?光還原技術(shù)雖然具有潛力，但受限于熱力學(xué)挑戰(zhàn)和對(duì)純CO?的需求，導(dǎo)致其在DAC框架中的整體集成面臨困難。    

新思路

有鑒于此，劍橋大學(xué)Erwin Reisner等人報(bào)道了一種氣相雙床直接空氣碳捕獲和利用流動(dòng)反應(yīng)器，該反應(yīng)器通過(guò)光現(xiàn)場(chǎng)利用空氣捕獲的二氧化碳來(lái)生產(chǎn)合成氣（CO + H₂），而不需要高溫或高壓。反應(yīng)器由固體硅胺吸附劑床層組成，用于捕獲好氧CO₂并產(chǎn)生無(wú)CO₂空氣；在硅/鋁-鈦-鈷雙（三聯(lián)吡啶）分子半導(dǎo)體光催化劑的床上，利用聚光釋放捕獲的二氧化碳并將其轉(zhuǎn)化為合成氣。作者使用解聚對(duì)苯二甲酸乙酯塑料的氧化作為反應(yīng)。這項(xiàng)技術(shù)可以在白天運(yùn)行，在夜間捕獲二氧化碳，并在白天在集中的陽(yáng)光下轉(zhuǎn)化為合成氣。

技術(shù)方案：

1、開發(fā)了一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的直接空氣碳捕獲與利用流動(dòng)反應(yīng)器

作者開發(fā)了一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的DACCU流動(dòng)反應(yīng)器，使用SBA-15|PEI吸附劑在室溫下高效捕獲空氣中的CO?。

2、開發(fā)了一種高效、廉價(jià)的濕床氣相二氧化碳燃料利用系統(tǒng)    

作者開發(fā)了一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的DACCU流動(dòng)反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了從空氣中捕獲CO?并轉(zhuǎn)化為合成氣。

3、開發(fā)了一種集成的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的DACCU管式反應(yīng)器

作者開發(fā)了一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的DACCU管式反應(yīng)器，用于空氣中CO?的捕獲與轉(zhuǎn)化。系統(tǒng)具備模塊化和靈活性，可通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高CO?轉(zhuǎn)化效率。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

1、開發(fā)了集成化氣相DACCU流動(dòng)反應(yīng)器

本工作開發(fā)了一種氣相雙床直接空氣碳捕獲和利用（DACCU）流動(dòng)反應(yīng)器，能夠在夜間從空氣中捕獲二氧化碳，并在白天利用集中陽(yáng)光將其轉(zhuǎn)化為合成氣（CO+H?），無(wú)需高溫或高壓。

2、成功實(shí)現(xiàn)了分子-半導(dǎo)體雜化材料在氣相CO₂光化學(xué)轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用

作者使用Al?O?/SiO?|TiO?|CotpyP雜化材料實(shí)現(xiàn)了氣相CO?的光化學(xué)轉(zhuǎn)化，解決了傳統(tǒng)氣相CO?光還原中活性有限和對(duì)純CO?依賴的問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)時(shí)間分離管理了有氧條件下的CO?光還原。

技術(shù)細(xì)節(jié)

DAC和光熱CO₂釋放

作者開發(fā)了一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的直接空氣碳捕獲與利用（DACCU）流動(dòng)反應(yīng)器，用于捕獲空氣中的二氧化碳并轉(zhuǎn)化為合成氣。研究中使用了支化聚乙烯亞胺（PEI）浸漬在介孔二氧化硅（SBA-15）上的固體二氧化碳吸附劑（SBA-15|PEI），在室溫下對(duì)空氣中的二氧化碳（400 ppm）進(jìn)行高效捕獲，9小時(shí)內(nèi)達(dá)到完全去除。通過(guò)拋物面槽反射器聚光和紅外吸收光熱材料，吸附劑在100°C下實(shí)現(xiàn)光熱解吸，釋放出高濃度的二氧化碳（30% v/v），并用于下游的光化學(xué)轉(zhuǎn)化。該過(guò)程的太陽(yáng)能-二氧化碳釋放能源效率約為0.6%，且吸附劑在循環(huán)使用中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性。    

圖  DACCU通過(guò)由DAC和CO₂U單元組成的雙床流動(dòng)反應(yīng)器

圖  DAC和太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的光熱CO₂釋放

流動(dòng)中的氣相CO₂-燃料利用

作者開發(fā)了一種高效、廉價(jià)的濕床氣相二氧化碳燃料利用系統(tǒng)，用于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的DACCU下游。通過(guò)使用醇氧化反應(yīng)替代水氧化，系統(tǒng)提高了CO?還原率，并避免了氧氣與燃料混合物的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)驗(yàn)中，以TiO?（P25）為光催化劑，鈷基分子催化劑（CotpyP）為助催化劑，結(jié)合多孔載體（如二氧化硅或氧化鋁），實(shí)現(xiàn)了氣相CO?的高效還原。在優(yōu)化條件下，系統(tǒng)以乙二醇（EG）為電子供體，生成富含CO的合成氣（CO:H?比例為5:4），適用于下游燃料和化學(xué)品合成。此外，作者通過(guò)拋物面槽反射器聚焦陽(yáng)光，進(jìn)一步提高了CO?還原效率，并通過(guò)水套冷卻解決了高溫導(dǎo)致的催化劑失活問(wèn)題。    

圖  CO₂U裝置的特性和性能  

圖  CO₂U氧化產(chǎn)物分析及稀釋CO₂反應(yīng)

DAC及其生產(chǎn)太陽(yáng)能燃料的利用

作者開發(fā)了一種集成的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的DACCU管式反應(yīng)器，用于空氣中CO?的捕獲與利用。該反應(yīng)器包含上游的DAC室和下游的CO?U室，通過(guò)模擬陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)CO?的捕獲和轉(zhuǎn)化。在實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)器在夜間模擬條件下通過(guò)SBA-15|PEI吸附劑高效捕獲空氣中的CO?（400ppm），流出氣中CO?濃度接近零。白天模擬條件下，通過(guò)光熱加熱（約100°C）釋放捕獲的CO?，并在下游利用乙二醇（EG）作為電子供體，將其轉(zhuǎn)化為合成氣（CO和H?）。CO的生成速率與釋放的CO?濃度相關(guān)，1小時(shí)內(nèi)達(dá)到峰值（8.5±0.8 μmol/g/h），4小時(shí)后因CO?耗盡而降低。系統(tǒng)還具備模塊化和靈活性，可通過(guò)增加下游吸附器或改變流動(dòng)方向進(jìn)一步優(yōu)化CO?轉(zhuǎn)化效率。此外，通過(guò)拋物面槽反射器聚焦陽(yáng)光和水套冷卻技術(shù)，解決了高溫導(dǎo)致的催化劑失活問(wèn)題。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了CO?的高效捕獲和轉(zhuǎn)化，還展示了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的綠色化學(xué)品生產(chǎn)的潛力。    

圖  DACCU將生產(chǎn)太陽(yáng)能合成氣

展望

總之，本工作展示了一種集成的DACCU流動(dòng)反應(yīng)器，利用模擬陽(yáng)光捕獲、濃縮并轉(zhuǎn)化空氣中的CO?為可再生合成氣。該反應(yīng)器在夜間捕獲CO?，白天利用陽(yáng)光釋放并轉(zhuǎn)化CO?，無(wú)需高溫或高壓。此方法不僅解決了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)CO?還原中低濃度和高O?含量的挑戰(zhàn)，還通過(guò)時(shí)間分離和濃縮CO?克服了O?中毒問(wèn)題。使用的CO?吸附劑在光熱加熱下高效釋放CO?，且兼容多種吸附材料。未來(lái)的研究將集中在開發(fā)長(zhǎng)期穩(wěn)定的反應(yīng)器設(shè)計(jì)和紅外光熱耐熱催化劑，以充分利用太陽(yáng)光譜并實(shí)現(xiàn)完全由太陽(yáng)能量驅(qū)動(dòng)的DACCU過(guò)程。

參考文獻(xiàn)：    

Kar, S., Kim, D., Bin Mohamad Annuar, A. et al. Direct air capture of CO2 for solar fuel production in flow. Nat Energy (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41560-025-01714-y