Nature Materials綜述：用于CO2分離的多孔材料最新進展

【背景介紹】

如今，全球二氧化碳（CO₂）排放量過度增長而導致了溫室效應，進而使得人類、經濟和生態系統面臨的海平面上升、極端天氣事件、物種滅絕等挑戰。面對這些挑戰，需要在全球范圍內快速部署脫碳戰略。其中，通過開發有效管理碳排放的新技術，材料界可以在這些努力中發揮關鍵作用。特別是，碳捕獲和封存（CCS），即選擇性捕獲并永久儲存在地下的CO₂，已被視為將變暖限制在2?°C以下戰略的重要組成部分。隨著脫碳工作的加速，CCS可以針對大型點源排放者（如燃煤或天然氣發電廠）的排放，同時也支持可再生或低碳燃料的生產。此外，CCS可以使難以消除的工業過程脫碳，并且可通過生物能與CCS或直接空氣捕獲相結合，支持從大氣中凈去除CO₂。

【成果簡介】

近日，美國加州大學伯克利分校Jeffrey R. Long（通訊作者）等人報道了一篇關于多孔材料作為CO₂捕獲應用的下一代吸附劑最新發展的綜述。在文中，作者從主要吸附劑類別方面，概述了使用多孔材料捕獲CO₂的最新技術。然后，作者檢查單個目標分離，重點是部署的剩余技術障礙，例如可以充當吸附劑毒物的污染物。在后一部分中，作者重點介紹了材料設計在克服特定流的CCS挑戰方面的最新進展。最后，作者討論了材料界的關鍵需求，以推動該領域的持續進步。研究成果以題為“Porous materials for carbon dioxide separations”發布在國際著名期刊Nature Materials上。

【圖文解讀】

圖一、排放源和捕獲策略
（a）2017年全球各行業CO₂排放量，其中電力和熱能產生的排放按最終用途部門進一步重新分配；

（b）適用于每個部門的目標排放的捕獲策略。

圖二、本文中討論的吸附劑類別的說明性示例
（a）活性炭；

（b）沸石，以沸石13X為代表；

（c）胺官能化二氧化硅，由PEI-MCM-41表示；

（d）多孔有機網絡，以PAF-1為代表；

（e）金屬有機骨架，以MIL-101(Cr)為代表。

圖三、碳捕獲配置

圖四、最小功與CO2濃度

【總結與展望】

雖然材料界在部署碳捕獲吸附劑方面取得了實質性進展，但是仍需要繼續投資，以滿足商業化道路上的幾個關鍵需求。（1）需要更多地關注生命周期方面的考慮，隨著材料沿著開發管道前進，需要進行越來越嚴格的分析；（2）必須以最低的時間和目標提取率給出金屬的合成步驟和可行的金屬提取框架；（3）必須考慮廢物流的可回收性和管理；（4）需要進行更多的研究，以闡明吸附劑在含有O₂、SO_x、NO_x、H₂S和其他特定污染物的潮濕氣流中的失活機理和速率；（5）需要繼續進行實驗，以量化共吸附和共循環物種，特別是水的能量影響。

此外，材料界也需要用于大規模生產結構形式的吸附劑，如顆粒、整料、薄膜或纖維。同時，仍需要繼續開發多孔有機網狀和金屬有機框架等新型材料。因此，工藝設計工作需要對粉末吸附劑和結構形式的熱性能、機械穩定性和體積容量進行擴展表征。此外，材料界可以支持工藝工程工作，以提高CCS系統的效率。材料科學家可以開發緩解吸附焓的解決方案。值得注意的是，微膠囊相變材料被納入纖維吸收劑中，以通過吸附熔化/解吸凍結循環抑制熱漂移。總之，碳捕獲和封存被廣泛認為是解決全球變暖的一種有效措施。其中，多孔材料是構成下一代捕獲技術基礎的有力競爭者。材料界需要持續研究將加速CCS在電力和工業部門以及負排放技術中的應用。

文獻鏈接：Porous materials for carbon dioxide separations. Nature Materials, 2021, DOI: 10.1038/s41563-021-01054-8.

本文由CQR編譯。

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