现在正在广泛研究或部署的工程化
直接空气碳捕集（
DAC
）
系统通常使用固体吸附剂进行吸附
-
脱附过程，而大气中超低的
CO
2
浓度（
~400 ppm
）是导致固体吸附剂的低
CO
2
吸附能力的主要障碍
，
同时
CO
2
的海水封存是一种新型碳封存方法。
美国里海大学
Arup K. SenGupta
牵头的研究团队开发了一种含有聚胺
-Cu
（
II
）复合材料（
Polyam-N-Cu
2+
），该催化剂的吸附容量为
5.1 mol CO
2
/kg
，且
CO
2
吸附能力在环境空气（
400 ppm
）与高
CO
2
浓度环境下保持稳定。该研究以具有伯胺官能团的阴离子交换剂作为母体聚合物，将
pH≈4.0
的
CuCl
2
溶液流经母体聚合物，过程中
Cu
2+
作为阴离子交换点共价连接到具有多个氮电子供体的螯合聚合物，制备了具有聚胺
-Cu(II)
复合物的杂化材料，称为
Polyam-N-Cu
2+
。
SEM
结果表明
Cu
2+
负载被很好地
负载于
Polyam-N-Cu
2+
。为研究
Polyam-N-Cu
2+
吸附和脱附能力，该研究使用大气通过空床接触时间为
1
秒的固定床柱并用海水脱附剂。该吸附剂表现出
5.1 mol CO
2
/kg
的大气
CO
2
捕集
能力，且在
15
个循环内保
持稳定。此外，
Polyam-N-Cu
2+
的
CO
2
吸附能力在环境空气、
10%
入口浓度
CO
2
和
50%
入口浓度
CO
2
的情况下几乎保持不变。除海水外，
4% NaCl
或
4% Na
2
SO
4
溶液也可作为混合吸附剂的脱附溶液，且
EDX
证明了在
10
次吸脱附循环过程中吸附剂的铜损失很小，这证实了多胺
-Cu
2+
复合物的长期稳定性。此外，
Polyam-N-Cu
2+
高吸附容量几乎与入口
CO
2
浓度无关，这归因于铜负载后母体树脂中的弱碱基点转变为
Polyam-N-Cu
2+
中的强碱基点，使阴离子交换容量不再依赖于
pH
值。为了证实
Cu
2+
结合性质对
CO
2
吸收的重要性，使用一种负载
Cu
2+
亚氨基二乙酸酯官能团的螯合聚合物与
Polyam-N-Cu
2+
进行
CO
2
吸附对照实验，其中
Polyam-N-Cu
2+
表现出高容量的
CO
2
吸附能力，而聚亚氨基二乙酸酯
-Cu
对
CO
2
没有吸附能力。这可能是因为
Cu
2+
与弱碱树脂中多胺官能团的
N-
供体配位使得正电荷得到保留，因此配位铜离子可以作为阴离子交换吸附位点。而聚亚氨基二乙酸酯在负载
Cu
2+
后，
Cu
2+
的两个正电荷被乙酸基团中和，因此不具有阴离子交换位点。此外，
Polyam-N-Cu
2+
也可进行热脱附，这种拥有双脱附模式的混合吸附剂有助于扩大
DAC
的应用。
图
1
聚胺
-Cu(II)
复合物吸附
CO
2
的示意图
该研究开发了一种具有聚胺
-Cu(II)
复合物混合吸附剂。该吸附剂
捕集
能力高达
5.1 mol CO
2
/kg
吸附剂，可在低于
90
℃
的温度下进行热脱附。此外，海水也可以作为该吸附剂的脱附剂，在脱附
CO
2
同时将其封存为
NaHCO
3
。这种拥有独特双脱附模式的吸附剂有助于扩大
DAC
应用。相关研究成果发表在《
Science Advances
》。
（陈志强
朱丹晨）
文献来源
：
Chen H, Dong H, Shi Z, et al. Direct air capture (DAC) and sequestration of CO2: Dramatic effect of coordinated Cu(II) onto a chelating weak base ion exchanger. Science Advances, 2023, DOI:10.1126/sciadv.adg1956.
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