二氧化碳是最主要的温室气体，在二氧化碳分离、捕集技术中，吸附技术是相对成熟且应用最多的一种技术。随着我国“双碳”目标的提出，与吸附技术相配套的二氧化碳吸附剂材料也广受关注，低成本、高效率的二氧化碳吸附剂材料成为当前研究和产业化的热点之一。 ...
二氧化碳是最主要的温室气体，在二氧化碳分离、捕集技术中，吸附技术是相对成熟且应用最多的一种技术。随着我国“双碳”目标的提出，与吸附技术相配套的二氧化碳吸附剂材料也广受关注，低成本、高效率的二氧化碳吸附剂材料成为当前研究和产业化的热点之一。
二氧化碳是最主要的温室气体，随着我国“双碳”目标的提出，二氧化碳捕集、封存和利用技术的发展以及应用场景的扩大，基于吸附技术实现二氧化碳捕集也广受关注。其中，研发低成本、高效率的二氧化碳吸附剂材料成为当前研究和产业化的热点之一。
固体吸附剂材料对环境友好
在二氧化碳分离、捕集技术中，吸附技术是相对成熟并且应用最多的一种技术。吸附技术具有能耗低、操作简单、吸附量大、循环性能好等优点，与吸附技术相配套的二氧化碳吸附剂材料种类较多，总体而言，可分为固体吸附剂材料与液体吸附剂材料。
东南大学材料科学与工程学院教授张友法介绍，固体吸附剂材料具有较弱的腐蚀性，而且吸附能耗低，具有安全性和环境友好性等优势，将其应用到二氧化碳捕集中具有很好的效果。固体吸附剂材料还包括了高温吸附剂材料和低温剂吸附材料。其中，高温吸附剂材料以氧化钙吸附剂材料为代表，能够在高达600℃的温度下对二氧化碳进行吸附。由于氧化钙吸附剂材料属于碱性物质，二氧化碳属于酸性气体，因此其能较为容易地吸附二氧化碳，这两种物质通过化学反应生成碳酸钙。
低温吸附剂材料包括活性炭、沸石等，除了不能在较高温度下吸附二氧化碳外，具有较好的二氧化碳吸附效率和再生性能等优点。以沸石为例，它是自然界中存在的一种天然硅铝酸盐，具有纳米级的均匀孔径，形成相互连接的通道和网状结构，具有筛分分子、吸附、离子交换和催化作用，人工合成的沸石又被称为分子筛。分子筛的吸附是一种物理过程，通过分子引力作用在固体表面产生一种“表面力”，当二氧化碳气体流过时，其中的分子会碰撞到吸附材料表面，并聚集于此，从而使气体中的分子数目减少，达到分离、清除的目的。由于吸附不发生化学变化，因此只要设法将聚集在表面的分子“赶跑”，“再生”的分子筛就又具有吸附能力了。
液体吸附剂材料成本较低
作为二氧化碳吸附剂材料生产企业之一，西安蓝晓科技新材料股份有限公司董事长高月静说，目前全球范围内，工业化的二氧化碳捕集技术以溶剂吸附法为主，核心吸附材料为液体有机胺化合物。液体胺吸附效果好、成本低，但是再生能耗高，对设备腐蚀较大。
不过，随着科技的进步，液体吸附剂材料也在不断改进和优化。郑州大学化工学院、中国科学院过程工程研究所等单位的科研人员发表的文章《负载型离子液体吸附分离二氧化碳的研究现状及展望》显示，因具有极低挥发性、强气体亲和性、可调的结构性质等特点，离子液体在二氧化碳捕集分离领域逐渐显示出独特的优势。但离子液体通常黏度较高，或在室温下呈固态，导致吸附效果差或者无法直接应用于吸附分离过程。
而负载型离子液体是将离子液体与有机或无机多孔材料，通过物理或化学方法结合而形成。作为二氧化碳吸附剂材料，负载型离子液体兼具离子液体和多孔材料的共同优势，不仅能提升选择性分离效果，还能有效避免采用离子液体直接吸收二氧化碳的高黏度问题，提高了二氧化碳吸附效率。通过离子液体和载体的不同结合方式，负载型离子液体可分为物理负载型、化学负载型离子液体，其合成方法通常为浸渍法、键合法、溶胶—凝胶法等。与离子液体结合的多孔材料，主要包括硅基、聚合物、活性炭、沸石与金属有机骨架等。
新型吸附剂材料不断出现
当前，我国在二氧化碳吸附剂材料研发方面不断取得新突破。如南京工业大学化工学院刘晓勤教授、孙林兵教授课题组研发出一种智能光响应吸附剂材料，实现了对二氧化碳的低能耗、可控式捕集。相关研究成果发表在国际知名期刊《德国应用化学》上。
在工业上的吸附分离操作中，传统吸附剂材料通常需要在变温或变压条件下实现其循环使用，也就是在常温下吸附、升温时脱附或在加压下吸附、减压后脱附。“但问题是，这个吸附—脱附的过程能耗较高。”孙林兵说，材料能吸附二氧化碳，材料本身就必须具备吸附活性位点，否则就无法实现选择性吸附。
为了减小吸附—脱附过程的能耗，课题组在吸附剂材料中引入诸如偶氮苯等光响应成分，使其和活性位点发生作用，在不同光照条件下，响应分子的构型发生转变，进而对活性位点的性质进行了调节，实现二氧化碳的吸附和脱附。
“我们在不同光照条件下，对活性位点进行调试，最终实现了对二氧化碳的可控性捕集。”孙林兵说，这种新的吸附—脱附调控机制相较于传统的变温、变压吸附大大降低了能耗。
无独有偶，张友法团队发明了一种用于潮湿条件下高效捕集二氧化碳的改性活性炭材料。由于价格低廉、丰富和可定制的物理、化学特性，活性炭成为工业化应用中最具潜力的吸附剂材料之一。但工业烟气中往往含有大量的水蒸气，当烟气中水蒸气浓度过高，水分子会通过竞争吸附、孔隙堵塞等显著降低吸附剂材料的二氧化碳捕集效率，因此人们迫切需要开发新技术以减少水蒸气对活性炭吸附性能的影响。张友法团队让疏水性有机框架材料，原位“生长”在功能性碳材料中，制备出复合材料。这种复合材料具有耐久性、高比表面积和疏水性能，可以在高湿工况下实现高效二氧化碳捕集。这项技术还广泛适用于其他遭受水蒸气竞争吸附影响的吸附材料生产中。
有些吸附剂材料已有小范围应用
“目前，对二氧化碳吸附剂材料的研究很多，但绝大多数还处于基础研究阶段。”孙林兵说，有些吸附剂材料在小范围的某些特殊场景下已有应用，但大范围应用吸附剂材料还是相对少见。在产业化方面，吸附剂材料的使用还需要跟生产所采用的工艺耦合，并需要进一步综合评估其成本和经济效益情况。
开发兼具高吸附容量、低成本的二氧化碳吸附剂材料被认为是CCUS技术未来商业化应用的关键。高月静说，创新研发二氧化碳吸附剂材料是企业工作的重点方向之一。蓝晓科技通过与欧洲大型化学品公司的合作，已经实现了向欧洲市场提供二氧化碳吸附剂材料，并形成了商业化应用案例。
不过，《负载型离子液体吸附分离二氧化碳的研究现状及展望》也指出，尽管目前报道的负载型离子液体用于二氧化碳吸附分离的研究较多，但主要还局限于实验室研究，要实现大规模应用，还需要解决多方面的问题。比如工业生产环境复杂多样，尽管目前设计、研究出用于吸附的材料种类很多，但还需要在现有基础上进一步发展出更多种类的吸附剂材料，以满足使用要求；吸附剂材料在各类环境中吸附、脱除二氧化碳时，往往还存在其他杂质气体的干扰，如工业烟气中常含有二氧化硫、二氧化氮等酸性气体，密闭空间和空气中常含有大量的水蒸气等；复杂组分下二氧化碳与吸附剂材料的作用关系、选择性和长周期循环稳定性等还需要更多的实验数据进行验证，为其实际应用提供支撑。
孙林兵说，随着技术的发展，二氧化碳吸附剂材料生产和使用的成本也会再进一步降低，使用的范围和场景也可能会随之扩大和增加。
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