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ICM综述 | 山东大学胡新明教授团队：从空气中捕碳：影响效能的核心要素与技术优化

已有 191 次阅读 2026-4-1 13:20 |个人分类:ICM文章|系统分类:论文交流

ICM—以应用为导向的高水平创新研究

文章导读

直接空气碳捕集（DAC）因能直接降低大气中的二氧化碳浓度，被视为应对气候变化的关键技术之一。近年来，该领域发展迅速，在捕集装置设计、捕获剂开发、二氧化碳解吸和捕获剂再生等方面均取得了显著进展。然而，当前DAC技术整体仍处于早期发展阶段，基础研究与应用实践之间存在一定程度的脱节。尽管相关研究报道不断涌现，但多聚焦于单一技术环节，各成果之间缺乏有效衔接与整合，难以协同推进DAC技术的发展

山东大学胡新明教授团队近期对直接空气碳捕集领域的研究进展进行了系统总结。该工作指出，空气接触器、捕获剂及其再生方式是影响DAC效率的三个关键因素，系统梳理了该领域在空气接触器结构优化、捕获剂性能提升以及低能耗再生技术开发等方面的研究进展。在此基础上，进一步讨论了当前DAC技术面临的主要挑战，提出了相应的解决思路，并对未来研究方向进行了展望。

图文摘要：影响DAC的三个关键因素

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials，题为：Key factors influencing direct CO₂ capture from air。欢迎扫描下方二维码或者点击下方链接免费阅读、下载！

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https://doi.org/10.1039/D5IM00391A

本文亮点

★ 总结了直接空气碳捕集技术的研究进展与应用现状：从实验室研究走向产业化应用；

★ 探讨了影响直接空气碳捕集效率的三个关键因素：空气接触器、捕获剂及其再生方式；

★ 剖析了直接空气碳捕集技术面临的关键挑战，提出了相应的解决路径与未来研究重点。

图文解读

1. 空气接触器

基于捕集机理，将DAC技术分为吸附与吸收两类，系统论述了相应空气接触器的结构设计、运行原理及产业化发展。吸附式空气接触器将捕集与再生功能集成于同一单元，实现了紧凑化设计，但同时也对管路布局与工艺控制提出了更高要求。吸收式空气接触器凭借捕集与再生单元的分离设计，展现出良好的规模化应用灵活性。进一步探讨了将工业冷却塔、列车、建筑物等既有设施改造为空气接触器的可行性，指出这一思路在降低DAC系统成本方面前景可期。

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图1. 将DAC与现有基础设施结合

2. 捕获剂

捕获剂作为DAC技术的核心要素，其性能直接决定了从二氧化碳捕集到解吸及捕获剂再生全过程的效率。本文从吸附材料与吸收液两个方面，系统讨论了两类捕获剂的物化特性，深入分析了这两类捕获剂在DAC应用中的优势与挑战。针对吸附材料的研究最为深入，目前已报道多种高性能吸附材料，部分甚至实现了工业化应用。然而，吸附材料普遍面临水汽共吸附导致的捕集效率下降问题，且多数吸附剂在空气中易发生氧化降解，制约其长期稳定性。吸收液则具有成本低廉、原料易得的优势，但其水溶液体系带来了设备腐蚀风险，同时捕集过程中的水分蒸发损失亦不可忽视。

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图2. 常用捕获剂

3. 再生方式

吸附剂/吸收剂再生与二氧化碳解吸是决定DAC工艺连续运行与能耗强度的关键。目前，工业化DAC系统主要采用两类再生路径：一是以Climeworks公司为代表的变温/变压脱附法，二是以Carbon Engineering公司为代表的碳酸盐沉淀-固液相分离法。近年来，伴随可再生能源的规模化应用，电化学再生方法因可直接利用绿电、反应条件温和、反应过程可控等优势，受到越来越多的关注。本文系统讨论了以上三类再生技术的工作原理、研究进展与优劣势，对比分析其能耗水平。

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图3. 新兴再生技术

总结与展望

本文系统探讨了影响DAC效率和应用的三个关键因素：

（1）空气接触器作为DAC系统的核心组件，保障空气流通与CO₂的持续供给。吸附式空气接触器将CO₂捕集与解吸功能集成于同一单元，实现了紧凑化设计。然而，这一设计也带来了更复杂的管路与工艺控制需求，因此该技术路线通常采用模块化横向扩展（即并行运行多个标准化单元）来提升CO₂捕集规模。相比之下，吸收式空气接触器将捕集与解吸单元分离设计，可兼容多种再生技术。这一特性不仅有助于模块化横向扩展，还可通过集中式纵向扩展（即单个工厂的规模化放大）提升捕集规模。然而，吸收式接触器通常使用强碱性吸收液，需重点关注水蒸发损失、设备腐蚀风险以及沉淀物生成等问题。改造既有基础设施替代传统空气接触器是降低建设成本与土地资源占用的一条可行路径。

（2）捕获剂是决定DAC系统捕集效率的核心要素，根据捕集机理可分为固体吸附剂与液体吸收剂两大类，分别适配于吸附式与吸收式空气接触器。固体吸附剂中，胺功能化多孔材料研究最为广泛，其性能受胺的类型、负载量、载体性质及环境温湿度等多因素影响。值得注意的是，大气中水分子的竞争性吸附通常会降低CO₂捕集效率，但若将吸附水视为潜在副产品，这一挑战亦可转化为机遇。通过充分利用CO₂与水分子的共吸附特性，未来的吸附剂设计有望实现CO₂捕集与水收集的双重目标，对缓解全球淡水资源短缺具有重要意义。在液体吸收剂方面，碱性氢氧化物与胺溶液虽表现出优异的捕集效率与成本优势，但胺类化合物在大气条件下易挥发、易氧化降解，限制了其在DAC中的直接应用。因此，开发兼具低挥发性和抗氧化稳定性的新型吸收剂成为研究重点。氨基酸盐凭借高稳定性与高捕集性能，在DAC应用中展现出巨大潜力。最近，机器学习逐渐成为碳捕集研究的有力工具，发展稳健的算法对于指导新型捕获剂设计至关重要。

（3）CO₂解吸/捕获剂再生方式对DAC能耗具有重要影响。变温再生是吸附式DAC中常用的方法，可利用工业废热降低能耗，但吸附剂降解仍是制约其长期稳定性的关键瓶颈。沉淀-相分离法通过将吸收液捕集的CO₂转化为碳酸钙等固体沉淀，实现了捕集与解吸单元的分离，显著降低再生过程的物料处理量。然而，碳酸盐高温煅烧释放CO₂的步骤仍面临高能耗挑战，且多步操作增加了系统复杂性。电化学再生具备条件温和、过程可控、适配可再生电力等独特优势，成为当前研究前沿。在绿电成本持续下降的背景下，可再生能源驱动电化学DAC正逐步从理论走向实践，有望发展为下一代负碳技术的重要路径。

综上，当前DAC领域的研究多聚焦于在理想条件下对单一要素（如空气接触器、捕获剂或再生单元）进行独立开发与性能优化。在实际应用中，这三个核心要素构成一个紧密耦合的系统：空气接触器的构型决定了捕获剂的选择范围，而捕获剂的物化特性又进一步影响再生技术的选择。这种环环相扣的依赖关系表明，未来DAC研究亟需从单一要素的独立优化转向全系统层面的协同设计。

撰稿：原文作者

排版：ICM编辑部

文章信息

A.-C. Zheng, H.-S. Xu, L. Du, Y. Li and X.-M. Hu, Key factors influencing direct CO₂ capture from air, Ind. Chem. Mater., 2026, DOI: 10.1039/D5IM00391A.

作者简介

胡新明.png

通讯作者

胡新明，山东大学环境研究院教授、博士生导师，入选国家高层次青年人才、山东省青年泰山学者、山东大学杰出中青年学者，主要从事二氧化碳捕集与转化利用研究。在Nature、Nature Catalysis、Chemical Society Reviews、Angewandte Chemie International Edition等国际高水平期刊上发表论文50余篇。

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通讯作者

李妍，山东大学环境研究院副研究员，入选国家博新计划、山东省青年泰山学者。主要研究方向为设计新材料用于二氧化碳捕集与催化转化。以第一作者（含共同）在Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition、Energy & Environmental Science等国际高水平期刊上发表论文多篇。

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第一作者

郑奥川，山东大学环境研究院博士研究生，主要研究方向为直接空气碳捕集。

课题组招聘

诚聘二氧化碳捕集与转化利用、理论计算与模拟方向博士后各一位，具体支持政策请见山东大学博士后招收公告:

https://www.rsrczp.sdu.edu.cn/info/1053/6600.htm

有意向者请联系邮箱：huxm@sdu.edu.cn

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