利用湿度变化实现“空气吸碳”，碳捕获技术成本直降

中企碳中和服务网讯：

为应对气候变化，科学家们正在研发各种各样的“负排放技术”。

“直接空气碳捕获”（DAC）可以有效地从空气中去除CO₂，因此也被认为是最富潜力的二氧化碳捕获方法之一。

然而，由于成本高昂、技术复杂且能耗巨大，传统直接空气捕获技术一直难以大规模应用。

最近，一项发表在《Environmental Science & Technology》上的研究提出了一种更高效、更节能的碳捕集方案——“湿度摆动碳捕获”。

美国西北大学的研究人员在这篇论文中提出了一系列成本低且储量丰富的材料，可利用湿度变化，直接从空气中捕获二氧化碳。

这些特殊材料可在干燥时吸附CO₂，潮湿时释放CO₂，就像一块“CO₂海绵”，只需调节湿度就能将二氧化碳储存起来，并在利用时再释放，大大降低了能耗和成本。

论文的第一作者本杰明·辛德尔表示：“湿度波动法可以在低湿度封存CO₂，并在高湿度下释放二氧化碳，从而减少或消除了加热吸附剂材料的能源成本。”

辛德尔和该研究的其他作者认为，这种方式之所以具有吸引力，是因为它几乎可以从任何地方去除碳，并且可以利用协同效应连接到其他采用碳利用模式的系统。

图说：“湿度波动法”直接空气捕获工作流程

来源：美国西北大学

目前，直接空气捕集技术已经在抵消全球经济中难以减排的领域（如混凝土生产和航空运输）发挥了作用。

然而，和其他碳捕获技术一样，直接空气捕获所面临的两个主要障碍就是成本和规模。

目前DAC的捕集成本约为每吨125-335美元，远高于工业点源捕集技术。同时，联合国净零目标意味着封存能力超出当前容量的数百倍。

因此，开发成本更低、更易于扩展的DAC方法一直是碳捕获界的优先事项。

此前，固体DAC的技术路线普遍使用离子交换树脂这一材料来完成二氧化碳吸附，但这也限制了直接空气捕获技术的扩展范围。

美国西北大学的团队现在发现，可通过使用可持续、丰富且廉价的材料，来降低直接空气捕获技术的成本和能耗，使其能在更多地方“大显身手”。

研究团队专注于“湿度摆动”碳捕获技术，这种工艺能够在干燥条件和潮湿条件下捕获和释放CO₂。

湿度摆动碳捕获的核心在于材料的特殊性质。研究人员测试了多种碳基材料（如活性炭、纳米石墨、碳纳米管）和金属氧化物纳米颗粒（如铁、锰、铝氧化物），发现某些材料在干燥环境下会吸附CO₂，而在湿度增加时又能将CO₂释放出来。

而这种“开关”机制的关键在于材料表面的碳酸盐离子和纳米孔隙结构。

干燥时，材料表面的碳酸盐离子（CO₃²⁻）与CO₂反应，形成碳酸氢盐（HCO₃⁻），从而“锁住”CO₂。

潮湿时，水分子介入反应，促使HCO₃⁻分解，重新释放CO₂，同时恢复CO₃²⁻，使材料可以循环使用。

整个过程无需高温或高压，仅靠湿度变化驱动，因此能耗极低。

图说：高倍显微镜下的活性炭结构

来源：美国西北大学

团队创建了一个结构化的实验框架，比较了多种纳米材料利用湿度变化捕碳的潜力。

研究团队分别测试了8种碳基和金属氧化物纳米材料的碳捕捉能力，包括活性炭（AC）、纳米结构石墨（NG-250和NG-400）、碳纳米管粉末（CNP）、片状石墨（FG）以及铁氧化物（Fe₃O₄）、锰氧化物（Mn₃O₄）和铝氧化物（Al₂O₃）纳米颗粒。

通过封闭循环气体流动装置测试材料的湿度摆动性能，量化其CO₂吸附和释放能力（摆动容量），并分析动力学特性。

图说：研究团队测试的8种材料和测试湿度摆动性能的闭环设置

来源：美国西北大学

实验结果显示，这些材料表现各不相同。

纳米结构石墨和四氧化三铁（Fe₃O₄）吸附能力最强，每次湿度循环能捕获0.7-1.1微摩尔CO₂/克。

纳米结构石墨具有丰富的纳米孔隙，摆动容量达0.7–1.1 μmol/g。而四氧化三铁（Fe₃O₄）不仅吸附能力强，还具有磁性，未来可能实现磁分离回收。

活性炭（AC）和铝氧化物（Al₂O₃）则表现出较快的吸附和脱附动力学。

活性炭（AC）吸附/脱附速度快，适合高频操作；氧化铝（Al₂O₃）常用作催化剂载体，未来可结合催化转化CO₂。

而片状石墨和碳纳米管粉末则表现不佳。片状石墨（FG）和碳纳米管粉末（CNP）吸附能力弱，脱附速度慢，不适合实际应用。

来源：美国西北大学

研究还发现，材料的孔隙大小对性能影响极大。最佳孔径范围是50–150 Å（5–15纳米），约头发丝直径的万分之一。

这样的孔隙既能“锁住”CO₂，又允许水分自由进出，像一个个微型开关。

不过，目前这些廉价材料的吸附量仍低于化学溶剂，但科学家正通过优化孔隙结构和表面化学来改进。

研究团队下一步的目标是实现千次循环稳定性，并将成本压至100美元/吨CO₂以下——接近国际公认的“经济可行线”。

“碳捕获领域仍处于起步阶段，”辛德尔说道。“这项技术只会变得更便宜、更高效，最终成为实现全球减排目标的可行方法。我们希望看到这些材料在试点研究中得到大规模测试。”

首图来源：美国西北大学

关键字:   “空气吸碳 碳捕获技术