01 专刊介绍

Green Carbon是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称"青岛能源所"）主办的英文学术期刊，致力于报道绿色与可持续技术领域的前沿交叉成果。

二十载耕耘，薪火相传。恰逢青岛能源所成立20周年之际，Green Carbon第13期（Volume 4, Issue 3）将作为“青岛能源所建所20周年专刊”于2026年9月出版。

本专刊收录20篇主编特邀高水平文章，作者均为长期关心支持青岛能源所发展的战略科学家，以及绿色碳科学相关领域的公认领军专家。专刊涵盖绿碳科学与可持续技术领域的基础科学发现、关键技术创新、系统过程集成，以及标准与政策框架建议等内容，全面呈现该领域的代表进展与未来方向。

衷心感谢所有撰稿人为本专刊贡献前瞻性学术洞见、系统综述与标志性研究成果，以及对青岛能源所与Green Carbon期刊的大力支持！

02 导读

题目：Photo-assisted regeneration in CO₂ capture: Mechanisms and materials

作者：Yuqiong Niu, Xiaoqian Zhang*,  Xiangju Song, Chengli Jiao,  Heqing Jiang*

推送导读：

CO₂捕获是实现化石能源清洁利用的重要技术，但传统吸附剂依赖热再生，能耗较高，成为制约其规模化应用的关键瓶颈。利用太阳能驱动CO₂脱附，为突破传统热再生模式提供了新路径。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所江河清研究员团队在专刊发表文章“Photo-assisted regeneration in CO₂ capture: Mechanisms and materials”，聚焦“光如何驱动CO₂释放”这一核心科学问题，系统梳理光辅助CO₂再生过程，构建了涵盖光吸收、能量转换、能量传递和CO₂释放的机制框架，并将相关策略归纳为光热、光异构化和光化学三条主要路径（图1）。文章进一步比较了三类路径的特点，总结光响应材料的作用机制与设计原则，并展望光辅助CO₂再生的发展方向，为构建太阳能驱动的低能耗CO₂捕集与再生体系提供了新思路。

图1. 光辅助CO₂脱附过程示意

03 主要内容

一、重要进展与研究趋势

1.1 光热驱动：利用光能实现局域热再生

光热驱动是目前研究最为广泛的光辅助CO₂再生路径之一。其基本原理是利用具有较强光吸收和光热转换能力的材料，将光能快速转化为热能，通过局部升温削弱CO₂与吸附剂之间的相互作用，从而促进CO₂脱附。近年来，光热材料由简单复合逐渐向多组分协同和空间精准耦合发展。碳基材料凭借宽光谱吸收和良好的光热转换性能得到广泛关注，二维材料、纳米材料等也为提高光能利用效率提供了新的选择。对于固体吸附剂而言，将光热单元与CO₂吸附位点进行空间耦合，是提高再生效率的重要方向（图2）。未来研究需要进一步从单纯追求“高光热转换效率”，转向兼顾光吸收、热传递和CO₂传质的协同优化，实现高效的光-热-质传递。

图2. 光热固体吸附剂CO₂解吸示意图

1.2 光异构化驱动：通过分子构象变化调控CO₂吸附

与依赖温度变化的光热再生不同，光异构化驱动利用光响应分子的可逆构象变化直接调节CO₂吸附性能。偶氮苯、二芳基乙烯等光响应单元在不同波长光照下可以发生可逆构象或结构变化。这种变化能够进一步影响吸附材料的孔道结构、吸附位点及其局域化学环境，从而实现CO₂吸附与脱附的光控调节。根据光响应单元的作用方式，相关材料主要形成三类设计思路：孔道占据、骨架整合和局域环境调控。

孔道占据型材料将光响应分子引入多孔材料孔道，通过结构变化调节CO₂吸附与释放。这一设计具有结构直观、机制清晰等特点，但光响应分子本身可能占据部分孔体积，从而降低材料的有效吸附容量。骨架整合型材料则将光响应单元直接嵌入多孔骨架，在减少孔道占据的同时增强光响应结构与吸附位点之间的协同作用。局域环境调控型进一步将调控尺度从“改变孔道”推进至“调节吸附位点微环境”，通过改变位点附近的极性、静电势或空间构型，精准调节CO₂与吸附位点之间的相互作用。总体来看，光异构化材料正从整体结构调控向吸附位点精准调控发展，为构建高选择性、高可逆性的光响应吸附材料提供了新思路。

1.3 光化学驱动：利用光控酸碱平衡实现低温再生

光化学驱动代表了另一种完全不同的CO₂再生范式。与光热路径通过升高温度促进CO₂释放、光异构化路径通过结构变化调节吸附性能不同，光化学路径尝试将光能直接转化为化学能，通过光响应分子调节体系中的质子转移和酸碱平衡，改变CO₂结合物种的热力学稳定性。其中，能够在光照下释放质子、使体系酸性增强的光响应分子，以及能够通过光照改变体系碱性的光响应分子，是目前受到关注的两类代表性材料，分别称为光酸和光碱。

在光酸体系中，光照可以诱导光酸释放质子，使体系酸性增强，进而降低CO₂结合物种的稳定性，促进CO₂释放（图3）。由于这一过程不需要对整个吸收体系进行高温加热，因此具有近常温操作的潜力。与此同时，光酸体系的实际应用仍面临光响应效率、分子稳定性、溶解性以及循环性能等挑战。通过调节溶剂和局域化学环境，可以进一步改善光响应分子的稳定性和反应性能。

图3. 光酸分子光控CO₂脱附

与之相对应，光碱体系则利用光照改变分子的碱性，进而调节CO₂的结合与释放过程（图4）。这种利用光照和暗态之间分子化学性质的变化，实现CO₂捕集与释放切换的方式，为构建不同运行模式的光驱CO₂捕集系统提供了新的可能。总体来看，光化学路径的核心优势在于：光能不再仅仅作为热能使用，而是通过光诱导的分子化学变化，直接调控CO₂的结合状态，从而驱动CO₂再生。这一特点使其在低温甚至接近环境温度的CO₂捕集与再生领域展现出独特潜力。

图4. 光碱分子光控CO₂脱附

1.4 三种光辅助路径的比较：从材料性能走向系统性能

综述进一步从再生效率、工作容量保持率和循环稳定性等关键指标出发，对光热、光异构化和光化学三类路径进行了系统比较。总体而言，三种路径各具特点。光热路径材料体系相对成熟，工程放大基础较好，但需要进一步解决光能利用效率、热量传递损失以及体系整体热管理等问题。光异构化路径能够在分子尺度实现对CO₂吸附性能的精准调控，并具有温和条件下运行的优势，但光响应程度、工作容量以及循环稳定性仍需要进一步提升。光化学路径可以通过化学势直接调节CO₂结合状态，在近常温再生方面具有明显潜力，但光响应分子的稳定性、反应动力学、溶剂环境以及长期循环性能仍是其走向实际应用需要解决的关键问题。因此，光辅助CO₂再生材料的发展不能仅关注单一指标，而需要在光利用、CO₂容量、再生效率、传质性能、循环稳定性和材料成本之间实现综合优化。

二、总结与展望

该综述围绕“光如何驱动CO₂释放”这一核心问题，系统梳理了光热驱动的能量转化、光异构化驱动的分子结构调控以及光化学驱动的化学势调节三条路径，建立了从光能吸收到CO₂释放的完整机制框架。未来，光辅助CO₂再生技术的发展将不仅依赖新型光响应材料的开发，还需要进一步强化光能高效利用、分子与吸附位点精准耦合、CO₂快速传质以及长期循环稳定性，推动太阳能驱动CO₂捕集与再生从概念验证走向实际应用，为低能耗碳捕集提供新的技术路径。

04 论文信息

论文信息

Y. Niu, X. Zhang, X. Song et al.. Photo-assisted regeneration in CO_₂ capture: Mechanisms and materials[J].Green Carbon, 2026.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2026.08.005

论文下载

Photo-assisted regeneration in CO₂ capture- Mechanisms and materials.pdf

中文解读原链接

青岛能源所建所20周年专刊 | 江河清研究员：光驱动CO₂吸附剂的再生及相关机制

05 作者简介

江河清 研究员

江河清，研究员，博士生导师，中国科学院青岛生物能源与过程研究所副所长，太阳能光电转化与利用全国重点实验室主任，国家级人才计划入选者。长期聚焦多功能膜材料、催化膜电极的规模化制备及光/电制氢技术研究。先后承担和完成科技部重点研发计划、国家基金委、工信部揭榜挂帅、中国科学院B类先导专项等重大项目30余项。荣获山东省科技进步奖一等奖、自然科学奖二等奖。在Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials等国际权威期刊上发表论文200余篇，授权专利50余项。目前担任Green Carbon副主编，Nano Research等期刊（青年）编委。

06 Green Carbon

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