研究透视：Nat.Mater.综述-二氧化碳分离的多孔材料-反思与愿景

‍碳捕获和封存 (CCS) 是一种多功能碳减排技术。随着脱碳工作的加速，CCS 可以面向大型污染点源的排放，如燃煤或天然气发电厂，还支持可再生或低碳燃料的生产。CCS 可以实现难以减排的工业过程的脱碳，并可以通过生物能源与 CCS 或直接空气捕获相结合，从大气中净去除二氧化碳。 今日，加州大学Jeffrey R. Long团队在Nature Materials上发表综述，论述了多孔材料作为 CO2 捕获应用的下一代吸附剂的发展。特别强调于河流和行业的挑战，同时，具体案例研究也关注了快速变化的能源格局。最后讨论了材料学界的关键需求，以扩大碳捕获技术的部署。

图为论述的吸附剂类别的示意。a活性炭。b，沸石，以沸石 13X 为代表（显示了基本八面沸石笼结构；为清楚起见省略了 Na+ 离子）。c，胺官能化二氧化硅，以PEI-MCM-41为代表（PEI，聚乙烯亚胺；MCM，Mobil Composition of Matter）。d，多孔有机网络，以PAF-1为代表（也称为PPN-6；PAF，多孔芳香骨架；PPN，多孔聚合物网络）。该结构描绘了无定形材料中一种可能的局部环境。e，金属-有机骨架，由 MIL-101(Cr)（Cr3O(bdc)3F；MIL，bdc2-，1,4-苯二甲酸酯）。在 a-e 中，黄色、红色、灰色、绿色和白色球体分别代表 Al/Si、O、C、Cr 和 H 原子。

图为碳捕获配置。电力部门的碳捕获策略包括来自化石燃料发电厂以及 BECCS 和 DAC 的燃烧前、富氧燃烧和燃烧后捕获。BECCS 的过程进一步细分为燃烧前和燃烧后策略。

图为最小功与 CO2 浓度的关系。理论最小值在不同应用中，作为 CO2 浓度函数的 CO2 捕获所需的工作。 灰色条和范围表示从 80% 纯度（下限）的 50% CO2 捕获到 99% 纯度（上限）下的 90% CO2 捕获的预期最小工作量的变化。

材料学界，在部署用于碳捕获的吸附剂方面取得了重大进展。尽管如此，仍需要继续投资，来满足商业化道路上的几个关键需求。一般来说，需要更多地关注生命周期的考虑，随着材料在石油运输管道中的推进，分析会越来越严格。具体来说，起始材料必须在目标规模上可行（特别是对于金属-有机骨架，鉴于某些金属的提取率和储量有限），并且所倡议的合成路线，必须安全且可推广，合成步骤最少，时空产率高。同样必须考虑废物流的可回收性和管理。对于满足这些标准的材料，通过阐明关键的吸附剂 - 被吸附物相互作用和预测越来越现实的混合物的竞争吸附行为，模拟计算方面的工作，对于支持吸附剂的向下选择性应用，仍然是必不可少的 。尤其是在含有 O2、SOx、NOx、H2S 和其他流特定污染物的潮湿流存在下，其吸附剂失活机制和速率。这些数据反过来可以指导预处理选项，并为技术经济模型中的吸附剂更换率提供信息，同时促进具有更高稳定性的下一代材料的开发。此外，还需要继续进行实验，来量化共吸附和共循环物质（尤其是水）的能量影响。

除了常用吸附剂开发之外，还需要材料学界的专业知识，来大规模生产结构形式的吸附剂，例如颗粒、整料、薄膜或纤维。对于沸石等传统吸附剂来说，工业规模的配方是众所周知的，但新材料仍需要继续开发，例如多孔有机网络和金属-有机框架。商业材料的最终结构，将强烈影响整个吸附单元的压力和热梯度，这反过来又将决定床尺寸、循环时间和总能量需求等因素。因此，工艺设计工作需要扩展粉末吸附剂和结构形式的热性能、力学稳定性和体积容量的表征。

此外，需要关注工艺流程，以提高碳捕获和封存 CCS 系统的效率。例如，在多吸附剂系统或混合过程（如吸附-膜系统）中组合材料，可以通过耦合技术，在其峰值效率下促进碳捕获。更广泛的工艺条件和更短的商业化时间表中，利用现有的、廉价且易于缩放的吸附剂，可以开发解决方案来降低吸附焓。其中，微囊化相变材料，被掺入纤维吸附剂中，以通过吸附-熔化/解吸-冷冻循环来抑制热偏移。新材料还启用了替代循环配置，其扩展了考虑吸附-解吸循环的机制和热力学空间。例如，金属纳米颗粒和金属-有机骨架的复合材料，已被用于证明磁感应变压吸附，并且大孔吸附剂，已被提议用于低温变压过程以产生超高的 CO2 变压能力 120。与传统吸附方法的更大偏差是，碳纳米管已用醌装饰，作为氧化还原活性物质，能够以电化学方式介导捕获和释放 CO2。在材料科学和工艺流程应用之间，持续创新将继续改进碳捕获和封存 CCS 技术。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01054-8

本文译自“Nature Materials"。