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碳捕集、利用與封存是應對全球氣候變化的重要技術選擇，也是目前最受關注的研究領域之一。

近日，香港中文大學（深圳）理工學院李懷光教授與劍橋大學Alexander C. Forse教授課題組合作在《Nature》上發表碳捕集技術的最新研究成果：“Capturing Carbon Dioxide from Air with Charged Sorbents”。這項工作提出并驗證了吸附材料合成的新路徑，開辟了碳捕集利用技術的新領域。

碳捕集技術的研究背景

溫室氣體二氧化碳的減排是全球共同面臨的難題。中國政府在第七十五屆聯合國大會上鄭重承諾：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，力爭于2030年前達到二氧化碳排放峰值，2060年前實現碳中和目標。空氣中直接捕集二氧化碳是實現碳中和的重要技術路徑，采用堿性溶液（例如氫氧化鉀、氫氧化鈣等）作為吸附劑的碳捕集方法，具有吸附容量大、效率高和速度快等顯著優勢，但是吸附產物碳酸鹽具有較大的晶格能，需要在 900 oC 的高溫下進行二氧化碳脫附，大大增加了碳捕集的運行成本。如何降低捕集能耗是目前高性能吸附材料研發的關鍵！

打破常規開發新型吸附劑

李懷光教授與劍橋大學團隊提出了一種創新方法，通過電化學技術分離帶電離子作為吸附位點，成功設計開發了一類新型吸附劑材料，并將其命名為”Charged sorbent（帶電吸附劑）”。這種吸附材料利用類似電池的充電過程，在低成本活性碳的孔隙中，積聚大量活性氫氧根離子，并通過形成碳酸（氫）根的方式，迅速捕獲空氣中的二氧化碳。與傳統的塊狀碳酸鹽相比，帶電吸附劑的脫附過程無需克服晶格能壘，因此能在相對低溫（90 – 100 ℃）下完成脫附。同時，由于吸附劑具備良好的導電導熱性能，可以直接利用可再生能源進行原位焦耳加熱脫附，極大的提高了能源利用效率。鑒于帶電吸附劑具有高度可定制的孔隙環境和低廉的成本，預計帶電吸附劑將在化學分離、催化等領域有著廣闊的應用前景。

帶電吸附劑在空氣中直接碳捕獲的應用潛力

圖1. 帶電吸附劑的二氧化碳吸附性能

吸附熱是衡量吸附劑吸附功能強弱的重要指標之一，吸附熱越大，吸附越強。與其它材料相比，帶電吸附劑（PCS-OH）的吸附熱顯著增加，高達137 kJ mol?1，對二氧化碳表現出極強的親和力，這為空氣中直接捕獲超低濃度二氧化碳提供了必要條件。同時，帶電吸附劑也表現出優異的穩定性，在連續11天測試中吸附性能保持100%，14個月后性能僅僅下降8%。

圖2. 帶電吸附劑的直接空氣中捕獲與焦耳熱再生

在直接空氣中捕集測試中，帶電吸附劑在25分鐘之內將空氣中的二氧化碳濃度從500 ppm降低至大約25 ppm，充分顯示出帶電吸附劑在直接空氣中捕獲的優異性能。同時，由于帶電吸附劑具有良好的導電性，可以通過焦耳熱的方式快速完成吸附劑的脫附過程。相較于傳統的加熱方法，這種焦耳加熱脫附技術不僅效率高，而且能耗更低。固態核磁測試數據表明，焦耳加熱能在極短時間內將材料迅速加熱至90℃，實現二氧化碳的完全脫附。

工作亮點

1. 帶電吸附劑所采用的原材料來源廣泛、易于獲取，具備廣闊的應用前景。

2. 從應用角度來看，除了二氧化碳捕集之外，帶電吸附劑的結構多樣性將為其它領域的新材料設計提供思路。

3. 帶電吸附劑良好的導電性與焦耳熱再生技術的耦合，為可再生能源電力在直接空氣碳捕獲技術中的應用提供了極大的便利。

該工作得到了深圳市環境材料與再生能源重點實驗室，廣東省珠江人才計劃引進創新科研團隊-基于高效光催化的氫能應用基礎研究等項目的支持。

李懷光，香港中文大學（深圳）理工學院助理教授、博士生導師、校長青年學者，深圳市高層次留學人才、重大技術攻關團隊高校負責人。博士畢業于德國波鴻大學，曾先后在波鴻大學（RESOLV Fellow），劍橋大學開展博士后研究工作。申請專利5項，相關成果以第一作者/通訊作者身份發表在Nature, Nat. Commun., Chem, J. Am. Chem. Soc.等期刊。2022年8月加入香港中文大學（深圳）理工學院，主要致力于燃料電池、二氧化碳吸附等交叉領域研究。

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劍橋大學 & 香港中文大學（深圳）Nature ！

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