中国粉体网讯 碳捕集、存储和利用（CCUS）技术作为一种有效捕集火电、钢铁、水泥、化工行业等固定源排放CO2的新兴技术，是实现“双碳”目标的关键环节。然而，固定源所排放的CO2约占总排放量的60%，仅凭CCUS技术难以完全实现“双碳”的目标。直接空气捕碳（DAC）技术是一种负碳排放技术，利用太阳能、地热能等可再生能源，直接从空气中捕集CO2，不额外产生CO2。
据燃煤污染物减排国家工程实验室研究人员的介绍，直接空气捕碳的目的就是将CO2与空气中的其他组分分离，从而获得“净化”的空气和可利用的CO2产品。对空气降温或加压使微量的CO2分离出来会造成不必要的能量损耗，采用与空气中的CO2直接作用的方式是更好的选择。许多固体多孔材料因其丰富的孔隙、特殊的表面结构或者特定的组分，对CO2具有选择性吸附作用。以下，我们重点来了解直接空气捕碳涉及哪些粉体材料。
沸石吸附剂
沸石是一种最常见的CO2物理吸附剂，其成分是硅铝酸盐，骨架由SiO4和[AlO4]-相互联结的三维四面体构成，具有规则的孔道和内部金属交换阳离子。沸石对CO2的吸附能力主要取决于两个参数：碱度和电场，与金属交换阳离子的性质、分布和数量以及沸石分子筛的骨架结构有关。随着Si/Al比降低，极性分子CO2与电场发生更强烈的相互作用，吸附剂对CO2的偏好增加。
沸石来源广、成本低，基于沸石吸附剂的DAC装置已经由Greencap Solution公司开发并在挪威投入商业化生产。
硅基吸附剂
硅基吸附剂具有比表面积高、孔径可调控、含有丰富的表面羟基基团等特点，在DAC领域被广泛研究。研究者们针对不同种类硅基载体进行了胺功能化的尝试，并对载体种类、胺负载方式以及吸附再生操作参数对硅基吸附剂的CO2吸附性能的影响进行了深入考察。
MCM-41和SBA-15是最常见的硅基有序介孔分子筛材料，它们可以作为载体，将聚乙烯亚胺（PEI）固定在孔道中，形成“分子篮”。除常见的分子筛材料外，硅胶、白炭黑、介孔二氧化硅泡沫以及其他种类的纳米二氧化硅也被用作有机胺载体。
硅基吸附剂目前尚处于实验室研究开发阶段，未见其应用于DAC工业示范的报道。在烟气CO2捕集领域，日本川崎重工业株式会社研发的聚胺浸渍介孔二氧化硅泡沫吸附剂可以实现91.7%的CO2捕集率和60℃蒸汽再生。
纳米氧化铝
纳米氧化铝是一种常见的金属氧化物，因其具有较大的比表面积、适宜的孔道结构以及相对均一的孔径大小，在吸附分离和环境保护领域具有广阔的发展前景。
纳米氧化铝载体易制备和获取，PEI负载的γ-Al2O3具有较高的CO2吸附能力，它在低温蒸汽中保持稳定的特性为DAC工业应用中充分利用低品位蒸汽再生提供了思路，再生环节中可以避免高温加热造成的大量能耗，从而进一步降低系统工艺成本。
炭基吸附剂
炭基吸附剂来源广泛，结构多样，碳纳米管（CNTs）、氧化石墨烯（GO）、碳气凝胶（CAs）、生物炭、聚合物碳、微孔碳和介孔碳等已经广泛应用于烟气CO2吸附。炭基吸附剂在DAC领域的研究较少，已有的研究主要是针对吸附剂的表面修饰和改性。
炭基吸附剂碳源广泛，成本低廉，具有优于其他载体的水热稳定性和机械稳定性。炭基吸附剂复杂多样的结构种类为载体的选择和设计提供了更多可能，构筑微孔-介孔-大孔分级孔结构的载体既能实现氮原子掺杂对微孔利用率的提升，又可以同时实现有机胺在介孔和大孔内的赋存以及CO2在孔间的扩散。如果利用废弃生物质作为碳源，炭基吸附剂的制备过程则可以实现废弃物资源化利用，对环境更加友好。
MOF材料
MOF材料是近年来兴起的一种多孔材料，它最大的特点就是比表面积极大，孔隙发达，可以通过改变金属离子和有机配体种类来设计不同的拓扑结构和孔隙结构，并通过引入不饱和金属位点或胺基官能团调节材料表面的化学性质。
MOF材料的成本高达10000～15000USD/kg，由于潮湿降解和由此产生的更换费用可能更高，在DAC发展的初期阶段，MOF材料并不是作为吸附剂的最好选择。
纳米纤维素
纳米纤维素（NFC）是由天然纤维素纤维经处理后得到的纳米尺度的产物，材料表面含有丰富的羟基基团，可与氨基硅烷共价连接。瑞士Climeworks公司利用冷冻-干燥法制备的NFC与AEAPDMS/APDES的聚合物在潮湿条件下具有良好的循环稳定性，但解吸的能量需求随着H2O的吸附而显著增加。基于上述研究开发的全套DAC固体吸附装置已经投入商业化运行，能够实现4000t/a的CO2捕集量，由NFC产生的额外成本不高于2USD/kg。
资料来源：
孔祥如等：直接空气捕碳固体多孔材料的研究进展，山东大学能源与动力工程学院
王焕君等：直接空气捕碳材料研究进展，高效灵活煤电及碳捕集利用封存全国重点实验室
（中国粉体网编辑整理/平安）
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