二氧化碳直接空氣捕集材料與技術(shù)研究進(jìn)展

宋珂琛，崔希利，邢華斌

（1 浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2 浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心，浙江 杭州 311200）

我國于2020年9月在聯(lián)合國大會(huì)上向世界宣布了2030 年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和2060 年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。其中，二氧化碳捕集、利用和封存技術(shù)（carbon capture, utilization and storage，CCUS）在達(dá)成“雙碳”目標(biāo)的過程中尤為重要。然而不同排放源二氧化碳濃度及捕集方式的不同使碳捕集技術(shù)的能耗差異較大，如圖1所示，直接空氣捕集的能耗為19～21kJ/mol，是煤和天然氣燃燒捕集能耗的2～4倍。

圖1 不同碳捕集技術(shù)的能耗分析[2]

CCUS 作為深度減排技術(shù)，對(duì)火電、鋼鐵、水泥、化工等工業(yè)固定排放源進(jìn)行直接捕集相對(duì)有效且可節(jié)約運(yùn)輸成本。傳統(tǒng)的捕集方式分為燃燒前捕集、富氧燃燒和燃燒后捕集。燃燒前捕集是將燃料中的含碳組分轉(zhuǎn)化為水煤氣，進(jìn)而將二氧化碳從中分離，該方式多用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站；富氧燃燒則是將純氧從空氣中分離并通入燃燒系統(tǒng)，輔以煙氣循環(huán)，該技術(shù)捕集的二氧化碳純度高，但系統(tǒng)總投資較高；燃燒后捕集則是從煙氣中分離二氧化碳，該技術(shù)雖能耗較高但對(duì)原有系統(tǒng)改變較少，應(yīng)用較為廣泛。另一方面，作為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的托底技術(shù)，從空氣中直接去除二氧化碳，并永久轉(zhuǎn)化和封存，即直接空氣捕集技術(shù)（direct air capture，DAC）的開發(fā)同樣必不可少。DAC 可對(duì)小型化石燃料燃燒裝置以及交通工具等“分散式”排放源進(jìn)行捕集，更重要的是可以維持并真實(shí)地降低大氣中二氧化碳濃度。

早在1930 年，設(shè)備防腐處理中便出現(xiàn)了直接空氣捕集技術(shù)的雛形，自Lackner 教授20年前第一次正式提出DAC 技術(shù)，DAC 的概念和技術(shù)都得到了深遠(yuǎn)發(fā)展。DAC 對(duì)助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)有以下意義和作用：①分擔(dān)固定點(diǎn)源碳捕集的壓力；②緩解碳封存中運(yùn)輸環(huán)節(jié)的成本壓力；③直接捕集的碳可作為工業(yè)原料投入生產(chǎn)，或?qū)ν恋剡M(jìn)行反哺，形成碳循環(huán)閉環(huán)；④創(chuàng)造負(fù)碳效應(yīng)，真實(shí)地降低大氣中二氧化碳濃度水平。

目前，瑞士的Climeworks 公司、加拿大的Carbon Engineering公司以及美國的Global Thermostat和Infinitree 公司致力于DAC 技術(shù)研發(fā)。從技術(shù)上講，DAC 面臨的首要挑戰(zhàn)是低濃度情況下碳捕集的能耗問題，包括低濃度下吸附劑如何實(shí)現(xiàn)較高的吸附容量，高流速下如何實(shí)現(xiàn)快速傳質(zhì)和吸脫附。

本文綜述了直接空氣捕集技術(shù)的發(fā)展情況，簡要回顧和論述了常用的直接空氣捕集材料（圖2）以及再生方式，旨在為新材料的設(shè)計(jì)和新策略的提出提供指導(dǎo)和參考。最后，展望了該領(lǐng)域未來發(fā)展的挑戰(zhàn)及機(jī)遇。

圖2 直接空氣捕集技術(shù)常用材料

1 胺功能化材料

胺功能化材料利用胺與二氧化碳之間的化學(xué)反應(yīng)對(duì)二氧化碳進(jìn)行捕集。其中，常用的有機(jī)胺材料有傳統(tǒng)的鏈狀醇胺和有支鏈的空間位阻胺，如2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）。根據(jù)氮原子數(shù)量則分為伯、仲、叔胺。它們的捕集機(jī)理見式(1)～式(4)。

伯胺反應(yīng)

仲胺反應(yīng)

叔胺反應(yīng)

空間位阻胺反應(yīng)

1.1 胺功能化無機(jī)材料

胺功能化無機(jī)材料的研究分別集中在有機(jī)胺和載體兩個(gè)方面，根據(jù)類別和合成方法大致分為三類，如圖3所示。首先是有機(jī)胺種類的選擇，總體上講，伯胺比仲胺、叔胺具有更高的吸附熱，故表現(xiàn)出更高的捕集效率，后續(xù)的跟蹤研究表明這是由熵效應(yīng)所導(dǎo)致；也有研究提出可通過調(diào)節(jié)仲胺的數(shù)量以及可接近程度來平衡活性和能耗，在文獻(xiàn)中，聚丙烯胺（PAA）、四乙烯戊胺（TEPA）、五乙烯六胺（PEHA）等都被加以研究，但在變溫吸附或變壓吸附（temperature/vaccum swing adsorption,TSA或VSA）條件下，分子量較小且支鏈化程度低的有機(jī)胺化合物，如PAA、單乙醇胺（MEA）、TEPA、PEHA等會(huì)出現(xiàn)不同程度浸出、降解和揮發(fā)。

圖3 常見胺功能化無機(jī)材料及其合成方法

因此低揮發(fā)性且熱穩(wěn)定性高的聚乙烯亞胺（PEI）常作為活性組分被負(fù)載到各種材料上，其中，出現(xiàn)最早、研究最廣泛的是采用浸漬法負(fù)載的無機(jī)材料，其也被稱作第一類胺功能化材料。以硅氧化物為例，佐治亞理工大學(xué)的Jones 教授團(tuán)隊(duì)首次將45%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）PEI 浸漬到商業(yè)氧化硅上，在室溫和400mg/L 濃度條件下獲得了2.36mmol/g 的二氧化碳吸附量，4 次循環(huán)后出現(xiàn)近30%的胺損失。這與制備方法有極大關(guān)系，浸漬法將有機(jī)胺負(fù)載于載體的表面和孔道中，表面基團(tuán)、雜原子摻雜以及孔道的大小都會(huì)對(duì)捕集性能產(chǎn)生影響，除此之外，負(fù)載量的高低會(huì)不同程度填充孔道以至材料表觀形貌發(fā)生改變；其次，孔道堵塞引發(fā)的阻礙擴(kuò)散會(huì)顯著降低捕集效率。為提高捕集性能，逐漸出現(xiàn)了與多種添加劑的復(fù)配的研究，如PEI 與3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APS）或鈦酸正丙酯共混合后再負(fù)載到多孔硅上，提高了熱穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性，研究推測這是由于PEI和載體表面的硅烷形成了氫鍵。第二種類型則是以接枝的方法將氨丙基（APS）和二亞乙基三胺（DT）等負(fù)載到無機(jī)載體上，有機(jī)胺與載體共價(jià)鍵合，此類別材料展現(xiàn)出更優(yōu)異的性能，且對(duì)濕度的耐受度更高。Sayari 教授團(tuán)隊(duì)合成的PE-MCM-41，在約400mg/L CO下達(dá)到了0.98mmol/g 的CO吸附量。有研究發(fā)現(xiàn)，接枝前載體的局部表面環(huán)境以及橋連距離會(huì)影響捕集性能，橋連碳鏈在兩個(gè)碳時(shí)最為合適，碳鏈過短會(huì)導(dǎo)致靈活度較低，而過長的碳鏈也并不會(huì)顯著提高捕集性。最后，原位聚合法的開發(fā)又進(jìn)一步開拓了該領(lǐng)域，通過該方法制備的材料也被稱為第三種類型，但該類型材料孔徑分布往往較寬，表觀形貌不規(guī)則。

介孔氧化鋁同樣被廣泛用于該領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)氧化鋁作載體表現(xiàn)出更高的捕集性能，且具有更好的水熱穩(wěn)定性，其再生步驟可以用水蒸氣代替惰性氣體，從而避免了二次稀釋，獲得更高純度二氧化碳。

最后，溫度和濕度對(duì)胺功能化無機(jī)材料捕集性能的影響顯著，但各研究結(jié)論差異性較大，相關(guān)解釋的出發(fā)角度也不盡相同。在溫度方面，最大限度平衡熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩種角度，綜合多個(gè)結(jié)論后，建議變溫吸附在50～60℃區(qū)間最為合適；在濕度影響因素方面，研究者們分別從不同負(fù)載量導(dǎo)致的有機(jī)胺賦存狀態(tài)和位置的不同、有機(jī)胺自身的親水特性、水分子導(dǎo)致的過飽和現(xiàn)象以及捕集產(chǎn)物生成所需的微環(huán)境等角度進(jìn)行了說明，但依然需要更深一步的探究。

1.2 胺功能化有機(jī)材料

活性炭、離子交換樹脂和各種聚合物也常用作胺功能化的載體材料。數(shù)十年前已有針對(duì)二氧化碳捕集的聚合物材料研究，之后逐漸應(yīng)用到直接空氣捕集中。據(jù)周宏才教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道，比表面積4000m/g以上的多孔網(wǎng)狀聚合物（porous polymer networks，PPN）負(fù)載的有機(jī)胺在室溫條件下獲得了1.04mmol/g的二氧化碳吸附量，且具有較高的選擇性。Wang 等制備的胺改性離子交換樹脂在分散到聚合物薄膜上后，在變濕條件下表現(xiàn)出約0.86mmol/g 的吸附量。浸漬法制備的Diaion HP20樹脂負(fù)載的PEI 吸附材料表現(xiàn)出約2.26mmol/g 的吸附量。另外，納米原纖作為一種新型可循環(huán)利用的材料也被深入研究，氨丙基改性的納米原纖在20次循環(huán)后依然表現(xiàn)出1.39mmol/g的吸附量。

碳材料因具有靈活的孔道調(diào)節(jié)性，豐富的含氧基團(tuán)也常被用作胺改性材料的載體，制備方法分為碳化法和活化法。首先，生物基材料來源廣泛，如竹子、灌木和部分草莖等；其次，聚合物在經(jīng)過高溫或其他處理后獲得的碳材料也是研究方向之一；最后，碳分子篩、石墨烯以及MOFs基材料都展現(xiàn)出不同程度的應(yīng)用潛力。以炭黑為例，通過氮烯化學(xué)過程、酸性氧化和Pschorr 聚合的方式，在炭黑上發(fā)生原子活性基團(tuán)的聚合后，產(chǎn)生的季銨堿產(chǎn)物可對(duì)二氧化碳進(jìn)行捕集。

2 堿/堿土金屬氫氧化物和碳酸鹽

2.1 液相堿/堿土金屬氫氧化物

追本溯源，直接空氣捕集材料是1999 年由Lacker 團(tuán)隊(duì)提出的，以Ca(OH)溶液為吸收劑，將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕}，過程如圖4所示。轉(zhuǎn)變成的CaCO需經(jīng)過干燥和高溫焙燒才可獲得富集的二氧化碳，之后，經(jīng)過水合反應(yīng)獲得再生。該工藝存在的問題和挑戰(zhàn)主要是能耗高以及Ca(OH)在水中溶解度較低。為解決以上問題，類似硫酸鹽制漿過程（Kraft）的工藝被開發(fā)，工藝流程如圖4 所示，其中，采用NaOH 為吸附劑解決了溶解度低的問題，但能耗高的問題并沒有得到完全解決，用KOH 進(jìn)行替代的嘗試因較高的成本問題在實(shí)際應(yīng)用中依然沒有得到推廣。Francesco等指出，堿吸收工藝的?值和生產(chǎn)率分別為6.48～6.76MJ/kg 和0.18～0.45kg/(mCO·h)，出于提高轉(zhuǎn)化效率和擴(kuò)散以及節(jié)約成本的考慮，工業(yè)應(yīng)用中也對(duì)此工藝進(jìn)行了諸多優(yōu)化設(shè)計(jì)，如采用噴淋或口徑更大的填充柱進(jìn)行吸附，增加焙燒前除水步驟等。特別地，對(duì)循環(huán)溶解度和再生能耗優(yōu)化研究同樣十分重要，現(xiàn)有工藝的循環(huán)溶解度多在100g/L 以下且多以熱解吸為主。開發(fā)非水溶劑體系，如乙醇體系，使用混合吸收組分以及輔以其他解吸方式均值得嘗試。

圖4 二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕}的反應(yīng)步驟和工藝流程圖

2011 年，美國物理學(xué)會(huì)對(duì)該初代工藝的成本預(yù)估為600USD/t CO，工藝升級(jí)后，預(yù)估成本為240USD/t CO。

2.2 固體堿/堿土金屬碳酸鹽

固體吸附劑的開發(fā)緊跟液相之后，直至目前依然是熱點(diǎn)領(lǐng)域。值得注意的是，與分子篩等多孔材料吸附劑相比，濕度對(duì)固體吸附劑的影響在一定情況下是有益的。受液相NaOH 和Ca(OH)的啟發(fā)，Steinfeld 團(tuán)隊(duì)在對(duì)CaO 進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，由于吸附劑表面含有豐富的OH，在300～450℃下，CaO在極短的時(shí)間內(nèi)可使500mg/L CO下降近44%，同時(shí)，固體Ca(OH)也表現(xiàn)出優(yōu)異的捕集性能。然而，它們的再生溫度往往在500℃以上，CaCO則需要875℃的高溫才能快速分解，故其能耗依然高于液相吸收法。對(duì)鈉氧化物和碳酸鹽的研究也沒有獲得更好的結(jié)果，包括NaO、NaOH、NaCO和NaHCO在內(nèi)的吸附劑，均因過低的反應(yīng)速率和傳質(zhì)效率而無法成為合適的捕集材料。

將堿性固體吸附劑負(fù)載到多孔材料上是一種有效提高捕集性能的手段。有報(bào)道指出CaO-MgO 復(fù)合金屬氧化物在較干燥條件下可以獲得0.22mmol/g的吸附量，在濕度較大時(shí)，水膜的形成促進(jìn)了捕集行為，吸附量提高到0.48mmol/g。γ-AlO負(fù)載的KCO吸附劑具有十分優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，80次循環(huán)后依然可用，且250℃便可再生，但相較于前文述及的胺改性無機(jī)材料，再生溫度依然偏高。濕度較大條件下，對(duì)該材料的捕集性能和影響因素研究依舊較少。當(dāng)碳材料作載體時(shí)，Lu等發(fā)現(xiàn)，相較于5A 分子篩和13X 分子篩以及硅氧化物載體，活性炭材料表現(xiàn)出最高的吸附量（0.87mmol/g），且因?yàn)槠渑c水不反應(yīng)，沒有中間相出現(xiàn)，再生溫度可設(shè)定在100～200℃之間，這相比于其他材料需要至少300℃的再生溫度顯然更節(jié)能。

在成本方面，最初該類型固體吸附材料的成本預(yù)估為200USD/t CO，在2020 年，Lackner 團(tuán)隊(duì)綜合考慮包括設(shè)備、人力、電力等因素后，給出的建廠后成本約為779.5USD/t CO。其捕集裝置設(shè)計(jì)圖和原理圖如圖5所示。

圖5 層板型直接空氣捕集裝置設(shè)計(jì)圖及其捕集原理圖[63]

3 分子篩

分子篩作為多孔材料中的重要成員，因優(yōu)良的孔道可調(diào)控性和成本優(yōu)勢(shì)在直接空氣碳捕集中受到關(guān)注。首先，對(duì)孔道織構(gòu)，如孔徑大小、形狀和孔壁性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控可以顯著改變與二氧化碳的相互作用；其次，對(duì)分子篩內(nèi)部空腔或超籠的調(diào)控以及離子交換后微環(huán)境的改變會(huì)影響吸附量、選擇性以及對(duì)濕度的耐受度；最后，分子篩限域效應(yīng)的創(chuàng)造以及多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑在動(dòng)力學(xué)分離和尺寸擇形方面表現(xiàn)優(yōu)異。常見的用于氣體分離的分子篩及改性手段如圖6和表1所示。

表1 用于直接空氣捕集的常見胺功能化材料

圖6 常見直接空氣碳捕集分子篩及調(diào)控手段

八面體結(jié)構(gòu)的FAU 分子篩具有三維的孔道，根據(jù)Si/Al 的不同分為X 和Y 兩種類型，表現(xiàn)出不同的親和性，鋁含量增加會(huì)提高吸附量和選擇性。有研究發(fā)現(xiàn)，在直接空氣捕集中，金屬雜原子摻雜后的LiPdAgX分子篩，吸附量和選擇性有所改善，如圖7所示，調(diào)變分子篩硅鋁比抑或通過離子交換引入不同陽離子也可以獲得更好的性能；另一方面，因?yàn)殪o電作用的存在，濕度對(duì)該類型分子篩的捕集性能會(huì)產(chǎn)生巨大影響。

圖7 離子交換X分子篩CO2吸附曲線[69]

工業(yè)上另一種常用的A（LTA）型分子篩，如4A分子篩、5A分子篩，它們具有較大的腔體和較狹窄的孔口。因?yàn)楸旧砗写罅科胶怆姾?，故使用更大半徑的離子將其交換之后便可實(shí)現(xiàn)對(duì)孔徑的調(diào)控，如使用Ca交換可將NaA 分子篩的開口從0.2nm 調(diào)節(jié)到0.5nm。有研究報(bào)道，經(jīng)過K交換后的NaKA 分子篩在約400mg/L CO條件下可獲得1.0mmol/g 的吸附量和近1000 的選擇性。吸附后的二氧化碳呈現(xiàn)線形和彎曲狀兩種狀態(tài)，其中彎曲狀的是碳酸鹽，其被認(rèn)為是由表面K位點(diǎn)旁的氧化性離子與二氧化碳相互作用所形成。

RHO 分子篩具有八元環(huán)簡單立方結(jié)構(gòu)，且經(jīng)過Na交換的RHO分子篩在分離甲烷和二氧化碳中會(huì)出現(xiàn)“合頁門（trapdoor）”現(xiàn)象，骨架外離子類似一扇窗戶，允許二氧化碳通過，其他氣體分子則無法通過。這種吸附方式和另一種八元環(huán)CHA分子篩十分相似，經(jīng)過Li、Na、K、Cs等離子交換的CHA 分子篩在具有高吸附量的同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性。Webley等沒有將原因歸結(jié)于尺寸篩分，而是提出了“合頁門”機(jī)理，即具有較大四極矩的CO可以與Cs發(fā)生作用，使其發(fā)生瞬間的位移，類似推開了一扇門。最后，其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分子篩如GIS、MER、SAPO 等均有所報(bào)道，對(duì)它們的改性以及吸附機(jī)理的解釋也出現(xiàn)了“離子門（cation gating effect）”和類似柔性MOFs 材料的“呼吸效應(yīng)（breathing effect）”等。

4 金屬有機(jī)框架材料

截至目前，已經(jīng)有較多用于直接空氣捕集的金屬有機(jī)框架材料（MOFs）的報(bào)道。MOFs材料具有十分發(fā)達(dá)的孔道結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，具備優(yōu)良的表面和孔道可調(diào)變性。常見的用于直接空氣捕集的MOFs如圖8(a)所示。

MOFs 材料在直接空氣捕集中多為物理吸附，較低溫度便可實(shí)現(xiàn)再生。含有金屬中心的Mg-MOF-74表現(xiàn)出了最佳的吸附性能，如圖8(b)所示，在完全干燥條件下表現(xiàn)出約0.38mg/g 的二氧化碳吸附量，但因?yàn)橛薪饘僦行牡拇嬖?，與水的競爭吸附會(huì)限制其吸附量。SIFSIX-3-Cu/Ni/Zn 是另一種優(yōu)良的吸附材料，通過改變金屬粒子的種類可獲得不同的孔徑，如當(dāng)Cu 為中心粒子時(shí)，孔徑為3.5?（1?=0.1nm），Zn 時(shí)則可提高到近4?。邢華斌教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的ZU-16-Co 在大氣條件下表現(xiàn)出了1.05mmol/g 的二氧化碳吸附量，高于SIFSIX-3-Ni的0.42mmol/g 和TIFSIX-3-Ni 的0.65mmol/g。Zaworotko團(tuán)隊(duì)將KUST-1和以上兩種材料與胺功能化分子篩材料進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，胺功能化材料表現(xiàn)優(yōu)于MOFs 材料，即便它們的孔道結(jié)構(gòu)和比表面積都不如MOFs材料，如圖8(c)所示。

研究者轉(zhuǎn)而將有機(jī)胺與MOFs材料相結(jié)合，但不同于前文提到的浸漬或接枝，而是利用栓系的方法，使未飽和狀態(tài)的金屬中心與有機(jī)胺螯合，在孔道中裝載豐富的胺物種，進(jìn)而提高吸附性能、穩(wěn)定性和可循環(huán)性。研究發(fā)現(xiàn)栓系后的MIL-101(Cr)和Mg-MOF-74 的比表面積下降了約15%，但捕集性能和循環(huán)穩(wěn)定性得到了大幅提高。Long教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開發(fā)了孔徑更大的Mg(dobpdc)材料，如圖8(d)所示，它具有更寬的孔口，在栓系二甲基乙二胺（MMEN）后比表面積下降了近98%，但獲得了2.0mmol/g 的吸附量和較快的吸附速率，60min的吸附量約為1.05mmol/g。后續(xù)很多研究進(jìn)行了不同的胺種類栓系和改變金屬中心以調(diào)變鍵合強(qiáng)度的方法來提高捕集性能。

圖8 用于直接空氣捕集的常見金屬有機(jī)骨架材料結(jié)構(gòu)及其性能

5 變濕吸附材料

變濕吸附材料（moisture swing adsorption,MSA）是一種新型的、節(jié)能的捕集材料，它的出現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)展了直接空氣捕集領(lǐng)域的研究。最初的變濕吸附材料由Lackner教授提出，是類似Na溶液的、含有季銨鹽離子的樹脂材料。這種材料會(huì)隨著濕度的變化表現(xiàn)出不同的親和度。但因?yàn)槊荛]和開放空間中濕度差異較大，故在對(duì)其再生前需先將多余水分蒸發(fā)完全。使用該材料的裝置捕集成本約為115USD/t CO。

其捕集和再生過程如圖9所示，吸附劑中的季銨鹽離子與CO結(jié)合；之后與水分子作用生成HCO和OH，OH對(duì)CO具有很高的親和度，使材料完全變成HCO狀態(tài)，兩種酸根離子因水合作用不同而不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)；隨后，濕度減小，水對(duì)HCO的穩(wěn)定作用降低，HCO發(fā)生水合作用，釋放二氧化碳回到初始狀態(tài)，完成整個(gè)循環(huán)。

圖9 變濕吸附過程

該過程節(jié)能、易于操作，只需要控制濕度即可；其次，因?yàn)闆]有傳熱過程，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以在有需要的情況下，可以耦合變溫吸附或變壓吸附過程。同樣的，其缺點(diǎn)也比較明顯，該系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)和水量的要求高，雜質(zhì)的出現(xiàn)會(huì)顯著影響捕集性能，研究發(fā)現(xiàn)通過變濕過程捕集10 億噸二氧化碳需要100km的水，這無疑十分巨大；其次，天氣也是需要考慮的因素之一；最后，捕集的二氧化碳需要進(jìn)一步壓縮以滿足使用要求。

6 結(jié)語

本文主要闡述了用于直接空氣捕集的功能材料。目前，胺功能化材料和固體堿等化學(xué)吸附材料具有更好的應(yīng)用前景，物理吸附材料的潛能還需進(jìn)一步發(fā)掘。在工藝的開發(fā)上，一方面，可以借鑒其他低濃度氣體的脫除經(jīng)驗(yàn)，如氨氣、硫化氫、二氧化硫的深度脫除工藝；另一方面，可以結(jié)合不同工藝優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)多種工藝耦合的流程。在嚴(yán)峻的環(huán)境問題下，必須加快材料研發(fā)的步伐，未來的研究重點(diǎn)應(yīng)集中在材料的設(shè)計(jì)和低能耗再生方式的開發(fā)上?？赡艿难芯糠较蛉缦滤?。

（1）著眼于整個(gè)系統(tǒng)的生命周期，開發(fā)出安全、可規(guī)?；慨a(chǎn)的整體型功能化材料，如顆粒狀、纖維、薄膜或整體柱等結(jié)構(gòu)，提升單位體積位點(diǎn)數(shù)量。

（2）提高吸附速率是未來直接空氣捕集技術(shù)的一個(gè)重要方面。設(shè)計(jì)并開發(fā)兼顧熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的高性能材料，提高吸附容量的同時(shí)，強(qiáng)化傳質(zhì)過程將有利于實(shí)現(xiàn)低成本、高效快速捕集。

（3）壽命和循環(huán)穩(wěn)定性，特別是優(yōu)良的再生性能是必須考慮的因素。在環(huán)保觀念深入人心的情況下，尋求循環(huán)使用后結(jié)構(gòu)完整性好，性能損失少且可以低能耗再生的材料將是研究重點(diǎn)。例如，開發(fā)穩(wěn)定性更好且再生溫度更低的載體材料。

（4）合成工藝復(fù)雜和原材料昂貴是工業(yè)化應(yīng)用和推廣的主要障礙，故尋求可替代原材料，簡化合成工藝，提高時(shí)空產(chǎn)率是提高成本優(yōu)勢(shì)是關(guān)鍵。例如，開發(fā)黏土、生物質(zhì)等天然產(chǎn)物作為吸附劑原材料。

（5）驅(qū)動(dòng)能量的來源十分重要，結(jié)合長周期生命評(píng)價(jià)，在不同時(shí)間和空間尺度下，尋求并開發(fā)DAC與可再生能源耦合的新技術(shù)和新途徑。例如，開發(fā)太陽能、風(fēng)能等驅(qū)動(dòng)吸附劑再生的新工藝。