碳捕集、利用与封存是应对全球气候变化的重要技术选择，也是目前最受关注的研究领域之一。近日，香港中文大学（深圳）理工学院李怀光教授与剑桥大学Alexander C. Forse教授课题组合作在Nature上发表碳捕集技术的最新研究成果“Capturing Carbon Dioxide from Air with Charged Sorbents”。这项工作提出并验证了吸附材料合成的新路径，开辟了碳捕集、碳利用技术的新领域。

期刊介绍

Nature期刊是世界领先的跨学科学术期刊，创刊于1869年。每周刊登不同学科领域内最具开创性、最前沿、最重要的学术论文，是当前科研领域的风向标。在2023年，Nature期刊的影响因子高达64.8。

碳捕集技术的研究背景

温室气体二氧化碳的减排是全球共同面临的难题。中国政府在第七十五届联合国大会上郑重承诺：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，力争于2030年前达到二氧化碳排放峰值，2060年前实现碳中和目标。空气中直接捕集二氧化碳是实现碳中和的重要技术路径，采用碱性溶液（例如氢氧化钾、氢氧化钙等）作为吸附剂的碳捕集方法，具有吸附容量大、效率高和速度快等显著优势，但是吸附产物碳酸盐具有较大的晶格能，需要在 900 ºC 的高温下进行二氧化碳脱附，大大增加了碳捕集的运行成本。如何降低捕集能耗是目前高性能吸附材料研发的关键！

研究内容

打破常规开发新型吸附剂

李怀光教授与剑桥大学团队提出了一种创新方法，通过电化学技术分离带电离子作为吸附位点，成功设计开发了一类新型吸附剂材料，并将其命名为“Charged sorbent（带电吸附剂）”。这种吸附材料利用类似电池的充电过程，在低成本活性碳的孔隙中，积聚大量活性氢氧根离子，并通过形成碳酸（氢）根的方式，迅速捕获空气中的二氧化碳。与传统的块状碳酸盐相比，带电吸附剂的脱附过程无需克服晶格能垒，因此能在相对低温（90 - 100 ℃）下完成脱附。同时，由于吸附剂具备良好的导电导热性能，可以直接利用可再生能源进行原位焦耳加热脱附，极大的提高了能源利用效率。鉴于带电吸附剂具有高度可定制的孔隙环境和低廉的成本，预计带电吸附剂将在化学分离、催化等领域有着广阔的应用前景。

带电吸附剂在空气中直接碳捕获的应用潜力

图1.带电吸附剂的二氧化碳吸附性能

吸附热是衡量吸附剂吸附功能强弱的重要指标之一，吸附热越大，吸附越强。与其它材料相比，带电吸附剂（PCS-OH）的吸附热显著增加，高达137 kJ mol⁻¹，对二氧化碳表现出极强的亲和力，这为空气中直接捕获超低浓度二氧化碳提供了必要条件。同时，带电吸附剂也表现出优异的稳定性，在连续11天测试中吸附性能保持100%，14个月后性能仅仅下降8%。

图2.带电吸附剂的直接空气中捕获与焦耳热再生

在直接空气中捕集测试中，带电吸附剂在25分钟之内将空气中的二氧化碳浓度从500 ppm降低至大约25 ppm，充分显示出带电吸附剂在直接空气中捕获的优异性能。同时，由于带电吸附剂具有良好的导电性，可以通过焦耳热的方式快速完成吸附剂的脱附过程。相较于传统的加热方法，这种焦耳加热脱附技术不仅效率高，而且能耗更低。固态核磁测试数据表明，焦耳加热能在极短时间内将材料迅速加热至90℃，实现二氧化碳的完全脱附。

工作亮点

1.带电吸附剂所采用的原材料来源广泛、易于获取，具备广阔的应用前景。

2.从应用角度来看，除了二氧化碳捕集之外，带电吸附剂的结构多样性将为其它领域的新材料设计提供思路。

3.带电吸附剂良好的导电性与焦耳热再生技术的耦合，为可再生能源电力在直接空气碳捕获技术中的应用提供了极大的便利。

该工作得到了深圳市环境材料与再生能源重点实验室、广东省人才计划引进创新科研团队-基于高效光催化的氢能应用基础研究等项目的支持。

教授简介

李怀光，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授、博士生导师、校长青年学者，博士毕业于德国波鸿大学，曾先后在波鸿大学（RESOLV Fellow），慕尼黑工业大学开展博士后研究工作。2021年进入剑桥大学从事新型二氧化碳吸附剂的开发与研究，申请专利5项。相关成果以第一作者/通讯作者身份发表在Nature, Nat. Commun., Chem, J. Am. Chem. Soc.等期刊。2022年8月加入香港中文大学（深圳）理工学院，主要致力于燃料电池、二氧化碳吸附等交叉领域研究。

供稿 | 李怀光教授团队