Nature Materials综述：用于CO2分离的多孔材料最新进展

【背景介绍】

如今，全球二氧化碳（CO₂）排放量过度增长而导致了温室效应，进而使得人类、经济和生态系统面临的海平面上升、极端天气事件、物种灭绝等挑战。面对这些挑战，需要在全球范围内快速部署脱碳战略。其中，通过开发有效管理碳排放的新技术，材料界可以在这些努力中发挥关键作用。特别是，碳捕获和封存（CCS），即选择性捕获并永久储存在地下的CO₂，已被视为将变暖限制在2 °C以下战略的重要组成部分。随着脱碳工作的加速，CCS可以针对大型点源排放者（如燃煤或天然气发电厂）的排放，同时也支持可再生或低碳燃料的生产。此外，CCS可以使难以消除的工业过程脱碳，并且可通过生物能与CCS或直接空气捕获相结合，支持从大气中净去除CO₂。

【成果简介】

近日，美国加州大学伯克利分校Jeffrey R. Long（通讯作者）等人报道了一篇关于多孔材料作为CO₂捕获应用的下一代吸附剂最新发展的综述。在文中，作者从主要吸附剂类别方面，概述了使用多孔材料捕获CO₂的最新技术。然后，作者检查单个目标分离，重点是部署的剩余技术障碍，例如可以充当吸附剂毒物的污染物。在后一部分中，作者重点介绍了材料设计在克服特定流的CCS挑战方面的最新进展。最后，作者讨论了材料界的关键需求，以推动该领域的持续进步。研究成果以题为“Porous materials for carbon dioxide separations”发布在国际著名期刊Nature Materials上。

【图文解读】

图一、排放源和捕获策略
（a）2017年全球各行业CO₂排放量，其中电力和热能产生的排放按最终用途部门进一步重新分配；

（b）适用于每个部门的目标排放的捕获策略。

图二、本文中讨论的吸附剂类别的说明性示例
（a）活性炭；

（b）沸石，以沸石13X为代表；

（c）胺官能化二氧化硅，由PEI-MCM-41表示；

（d）多孔有机网络，以PAF-1为代表；

（e）金属有机骨架，以MIL-101(Cr)为代表。

图三、碳捕获配置

图四、最小功与CO2浓度

【总结与展望】

虽然材料界在部署碳捕获吸附剂方面取得了实质性进展，但是仍需要继续投资，以满足商业化道路上的几个关键需求。（1）需要更多地关注生命周期方面的考虑，随着材料沿着开发管道前进，需要进行越来越严格的分析；（2）必须以最低的时间和目标提取率给出金属的合成步骤和可行的金属提取框架；（3）必须考虑废物流的可回收性和管理；（4）需要进行更多的研究，以阐明吸附剂在含有O₂、SO_x、NO_x、H₂S和其他特定污染物的潮湿气流中的失活机理和速率；（5）需要继续进行实验，以量化共吸附和共循环物种，特别是水的能量影响。

此外，材料界也需要用于大规模生产结构形式的吸附剂，如颗粒、整料、薄膜或纤维。同时，仍需要继续开发多孔有机网状和金属有机框架等新型材料。因此，工艺设计工作需要对粉末吸附剂和结构形式的热性能、机械稳定性和体积容量进行扩展表征。此外，材料界可以支持工艺工程工作，以提高CCS系统的效率。材料科学家可以开发缓解吸附焓的解决方案。值得注意的是，微胶囊相变材料被纳入纤维吸收剂中，以通过吸附熔化/解吸冻结循环抑制热漂移。总之，碳捕获和封存被广泛认为是解决全球变暖的一种有效措施。其中，多孔材料是构成下一代捕获技术基础的有力竞争者。材料界需要持续研究将加速CCS在电力和工业部门以及负排放技术中的应用。

文献链接：Porous materials for carbon dioxide separations. Nature Materials, 2021, DOI: 10.1038/s41563-021-01054-8.

本文由CQR编译。

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