直接空气捕获（Direct Air Capture, DAC）作为一种负排放技术，能够从大气中直接去除二氧化碳，是实现全球温控目标的重要路径之一。由于大气中CO₂浓度极低（约400–420 ppm），DAC对吸附材料的选择提出了极高要求。本文系统综述了近年来DAC吸附材料的研究进展，按照胺基与非胺基、液态与固态等维度进行分类，详细分析了各类材料的CO₂吸附容量、动力学、稳定性及再生能耗。重点介绍了胺基液态溶剂、氨基酸盐、亚胺胍、固态负载胺类材料（Class 1–3）、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）、氢氧化物溶液、碳酸盐基材料、生物炭、湿法摆动吸附剂等。此外，本文还探讨了材料性能与气候条件、能源系统、经济成本的耦合关系，并总结了当前DAC产业化进展。最后，指出了未来DAC材料研发的方向：低能耗再生、长期稳定性、规模化制备与气候适应性设计。

全球变暖的主要驱动力是温室气体排放，其中CO₂占比超过80%。即便在未来清洁能源全面推广之前，也必须立即采取措施减少大气中的CO₂浓度。研究表明，要将全球气温恢复至工业化前水平，需在本世纪末前从大气中移除至少5500亿吨CO₂。直接空气捕获（DAC）作为一种负排放技术，能够捕集来自非点源（如交通、钢铁、水泥生产等）的CO₂，具有不可替代的战略意义。

与其他碳移除技术（如植树造林、BECCS）相比，DAC具有土地和水资源占用少、部署灵活等优势。然而，DAC面临的主要挑战在于大气中CO₂浓度极低，必须依赖化学吸附（chemisorption）实现高效捕集，并伴随高能耗的吸附剂再生过程。因此，开发高性能、低能耗、稳定性强的吸附材料是DAC技术发展的核心。

本文基于最新综述文献，系统梳理了DAC吸附材料的分类、性能、优缺点及技术经济性，旨在为后续研究与工程化提供参考。

胺基材料是目前DAC研究中应用最广、性能最为稳定的一类吸附剂。其原理是利用胺基氮原子的孤对电子与CO₂中的亲电碳发生反应，形成氨基甲酸盐（carbamate）或碳酸氢盐（bicarbonate），反应机制受湿度影响显著。

传统的单乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）等胺类溶剂在工业CO₂捕集中已有广泛应用。它们在DAC条件下也能实现较高的CO₂吸收效率（可达87%），但存在挥发性高、毒性强、腐蚀设备、再生能耗高等问题。为解决这些问题，研究者开发了低挥发性的醇胺类溶剂，如2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）、二甘醇单乙醚（DEGMEE）等，可在低于100°C条件下实现再生。

氨基酸盐（如甘氨酸钾、肌氨酸钾）具有低毒性、低挥发性、抗氧化性强等优点，是胺类溶剂的有力替代品。其CO₂吸收机制与醇胺类似，但更倾向于生成碳酸氢盐，从而提高CO₂负载量（可达0.7–1.0 mol CO₂/mol 胺）。研究表明，钾盐形式优于钠盐或锂盐，因其粘度低、扩散快。结合光酸再生策略，氨基酸盐可在常温下实现光驱动CO₂释放，显著降低能耗。

亚胺胍（iminoguanidines）如PyBIG、GBIG等，通过与CO₂形成不溶性碳酸盐或碳酸氢盐晶体，实现相变驱动的CO₂捕集与释放。其再生温度低（60–120°C），且可通过太阳能加热实现。GBIG体系在结合肽类（如GlyGly）后，CO₂吸收效率和再生性能进一步提升，展现出良好的工业化潜力。

固态胺基吸附剂通过将胺类物质负载或接枝到多孔载体上，兼具高吸附容量和较好的稳定性。Jones等人将其分为三类：

• Class 1：物理浸渍法，载体如SBA-15、MCM-41、γ-Al₂O₃、碳材料等。优点是制备简单，胺负载量高；缺点是胺易流失。PEI负载的Mg-Al混合金属氧化物（MMO）在湿条件下表现出优异的CO₂吸附性能（>2.2 mmol/g）和良好的循环稳定性。

• Class 2：化学接枝法，胺基通过硅烷化反应共价连接至载体表面。虽然胺含量较低，但稳定性更好。如TRI-PE-MCM-41在湿条件下仍保持高选择性，适用于DAC。

• Class 3：原位聚合生长聚合物胺链，兼具高负载与高稳定性。如COF-999、聚L-赖氨酸接枝SBA-15等，展现出优异的长期循环性能（>100次）和低温再生能力（60°C）。

尽管胺基材料性能优越，但其易氧化、热稳定性差、再生能耗高等问题促使研究者探索非胺基替代材料。

NaOH、KOH、Ca(OH)₂等氢氧化物溶液与CO₂反应生成碳酸盐或碳酸氢盐，具有极强的热力学驱动力。然而，其再生需高温煅烧（CaCO₃ → CaO，~900°C），能耗极高。为降低能耗，研究者开发了电化学再生、双极膜电渗析（BPMED）、钛酸盐循环等方法，可将再生温度降至常温或中温。

醌类材料（如PVAQ-CNT）在电化学还原状态下对CO₂具有高亲和力，可通过电压调控实现CO₂的捕集与释放，能耗低至113 kJ/mol CO₂。离子液体（ILs）如[BMIM][TFSI]也展现出良好的CO₂溶解性和稳定性，但高粘度和成本仍是挑战。

光酸分子（如mPAH、merocyanine）在光照下释放质子，促使碳酸氢盐分解为CO₂，实现光驱动再生。结合DMSO-水混合溶剂，可显著提高光酸稳定性和循环寿命，为低能耗DAC提供了新路径。

传统沸石对低浓度CO₂吸附能力弱，但通过离子交换（如Ca²⁺、Zn²⁺）可显著提高吸附能力。如NaCaA-85在400 ppm CO₂下吸附量达2.13 mmol/g，但对湿度敏感。

K₂CO₃负载于ZrO₂、CNT、活性炭等载体上，可在中温（150–300°C）下实现CO₂吸附与再生。MgO@TiO₂核壳结构有效抑制副反应，提升循环稳定性。

KOH活化生物炭（如竹炭、橄榄渣炭）具有高比表面积和微孔结构，CO₂吸附量可达0.9–3.5 mmol/g。通过季铵化改性，还可实现湿度驱动的CO₂吸附（moisture-swing），再生温度低至室温。

MOFs如Mg-MOF-74、MIL-101(Cr)、SIFSIX-3-Cu等在低浓度CO₂下表现良好，但湿度稳定性差。通过氟化、胺基修饰、复合疏水聚合物（如PA）等手段，可显著提升其在湿条件下的性能。COF-609、COF-999等材料在50% RH下仍保持高吸附量（>1.2 mmol/g），并可在60–90°C下完全再生。

基于季铵基团的聚合物（如PAES-co-QAPAES、PDADMA-PSf）在干燥条件下吸附CO₂，在湿润条件下释放CO₂，实现零热能再生。其性能受离子交换容量、湿度、聚合物结构影响显著。

DAC的经济可行性受限于高能耗与高成本。目前液态DAC系统的再生能耗为2–4 GJ/t CO₂，固态系统为1.5–3 GJ/t CO₂。总捕集成本约为$250–$600/t CO₂，目标降至$100–$200/t CO₂。政策支持（如美国45Q税收抵免，$180/tC{O}_2）和碳信用市场（$50–$100/t CO₂）是当前DAC项目的重要经济支撑。

气候条件对DAC性能影响显著。高温高湿环境有利于液态碱液系统，但会加速胺的降解；低温干燥环境则有利于固态物理吸附剂。因此，材料选择必须与部署地点的温湿度、能源结构、CO₂储存条件相匹配。例如，胺基材料适合温暖潮湿地区，MOFs适合寒冷干燥地区，碳酸盐材料适合中等湿度地区。

截至2025年，全球已有超过60家公司进入DAC领域，涵盖多种技术路线。代表性企业包括：

• Climeworks（瑞士）：固态胺基TVSA工艺；

• Carbon Engineering（加拿大）：KOH液态吸收+煅烧再生；

• Global Thermostat（美国）：PEI负载固态吸附剂；

• Verdox（美国）：醌基电化学DAC；

• Heirloom（美国）：Ca(OH)₂碳酸化-煅烧循环。

这些企业正推动DAC从实验室走向百万吨级商业示范。

DAC技术在过去十年取得了显著进展，吸附材料的性能、稳定性、再生效率均有大幅提升。胺基材料仍是主流，但非胺基材料（如MOFs、COFs、光酸、湿法摆动材料）正展现出更低能耗、更高稳定性的潜力。

未来DAC材料研究的重点方向包括：

1. 低能耗再生：开发光、电、湿度驱动的再生机制；

2. 长期稳定性：提高抗氧化、抗湿、抗污染能力；

3. 规模化制备：降低材料成本，适配工业制造流程；

4. 气候适应性设计：根据部署地点的气候与能源条件，定制化材料与系统。

DAC并非解决气候问题的“银弹”，但作为负排放技术体系的重要组成部分，其在实现全球净零排放目标中将发挥不可替代的作用。