理工學(xué)院李懷光教授在Nature發(fā)表空氣中直接碳捕集的最新研究
碳捕集、利用與封存是應(yīng)對全球氣候變化的重要技術(shù)選擇，也是目前最受關(guān)注的研究領(lǐng)域之一。近日，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院李懷光教授與劍橋大學(xué)Alexander C. Forse教授課題組合作在Nature上發(fā)表碳捕集技術(shù)的最新研究成果“Capturing Carbon Dioxide from Air with Charged Sorbents”。這項工作提出并驗證了吸附材料合成的新路徑，開辟了碳捕集、碳利用技術(shù)的新領(lǐng)域。
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期刊介紹
Nature期刊是世界領(lǐng)先的跨學(xué)科學(xué)術(shù)期刊，創(chuàng)刊于1869年。每周刊登不同學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)最具開創(chuàng)性、最前沿、最重要的學(xué)術(shù)論文，是當(dāng)前科研領(lǐng)域的風(fēng)向標(biāo)。在2023年，Nature期刊的影響因子高達64.8。
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碳捕集技術(shù)的研究背景
溫室氣體二氧化碳的減排是全球共同面臨的難題。中國政府在第七十五屆聯(lián)合國大會上鄭重承諾：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，力爭于2030年前達到二氧化碳排放峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。空氣中直接捕集二氧化碳是實現(xiàn)碳中和的重要技術(shù)路徑，采用堿性溶液（例如氫氧化鉀、氫氧化鈣等）作為吸附劑的碳捕集方法，具有吸附容量大、效率高和速度快等顯著優(yōu)勢，但是吸附產(chǎn)物碳酸鹽具有較大的晶格能，需要在 900 oC 的高溫下進行二氧化碳脫附，大大增加了碳捕集的運行成本。如何降低捕集能耗是目前高性能吸附材料研發(fā)的關(guān)鍵！
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研究內(nèi)容
打破常規(guī)開發(fā)新型吸附劑
李懷光教授與劍橋大學(xué)團隊提出了一種創(chuàng)新方法，通過電化學(xué)技術(shù)分離帶電離子作為吸附位點，成功設(shè)計開發(fā)了一類新型吸附劑材料，并將其命名為“Charged sorbent（帶電吸附劑）”。這種吸附材料利用類似電池的充電過程，在低成本活性碳的孔隙中，積聚大量活性氫氧根離子，并通過形成碳酸（氫）根的方式，迅速捕獲空氣中的二氧化碳。與傳統(tǒng)的塊狀碳酸鹽相比，帶電吸附劑的脫附過程無需克服晶格能壘，因此能在相對低溫（90 - 100 ℃）下完成脫附。同時，由于吸附劑具備良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，可以直接利用可再生能源進行原位焦耳加熱脫附，極大的提高了能源利用效率。鑒于帶電吸附劑具有高度可定制的孔隙環(huán)境和低廉的成本，預(yù)計帶電吸附劑將在化學(xué)分離、催化等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
帶電吸附劑在空氣中直接碳捕獲的應(yīng)用潛力
圖1.帶電吸附劑的二氧化碳吸附性能
吸附熱是衡量吸附劑吸附功能強弱的重要指標(biāo)之一，吸附熱越大，吸附越強。與其它材料相比，帶電吸附劑（PCS-OH）的吸附熱顯著增加，高達137 kJ mol?1，對二氧化碳表現(xiàn)出極強的親和力，這為空氣中直接捕獲超低濃度二氧化碳提供了必要條件。同時，帶電吸附劑也表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在連續(xù)11天測試中吸附性能保持100%，14個月后性能僅僅下降8%。
圖2.帶電吸附劑的直接空氣中捕獲與焦耳熱再生
在直接空氣中捕集測試中，帶電吸附劑在25分鐘之內(nèi)將空氣中的二氧化碳濃度從500 ppm降低至大約25 ppm，充分顯示出帶電吸附劑在直接空氣中捕獲的優(yōu)異性能。同時，由于帶電吸附劑具有良好的導(dǎo)電性，可以通過焦耳熱的方式快速完成吸附劑的脫附過程。相較于傳統(tǒng)的加熱方法，這種焦耳加熱脫附技術(shù)不僅效率高，而且能耗更低。固態(tài)核磁測試數(shù)據(jù)表明，焦耳加熱能在極短時間內(nèi)將材料迅速加熱至90℃，實現(xiàn)二氧化碳的完全脫附。
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工作亮點
1.帶電吸附劑所采用的原材料來源廣泛、易于獲取，具備廣闊的應(yīng)用前景。
2.從應(yīng)用角度來看，除了二氧化碳捕集之外，帶電吸附劑的結(jié)構(gòu)多樣性將為其它領(lǐng)域的新材料設(shè)計提供思路。
3.帶電吸附劑良好的導(dǎo)電性與焦耳熱再生技術(shù)的耦合，為可再生能源電力在直接空氣碳捕獲技術(shù)中的應(yīng)用提供了極大的便利。
該工作得到了深圳市環(huán)境材料與再生能源重點實驗室、廣東省人才計劃引進創(chuàng)新科研團隊-基于高效光催化的氫能應(yīng)用基礎(chǔ)研究等項目的支持。
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教授簡介
李懷光，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院助理教授、博士生導(dǎo)師、校長青年學(xué)者，博士畢業(yè)于德國波鴻大學(xué)，曾先后在波鴻大學(xué)（RESOLV Fellow），慕尼黑工業(yè)大學(xué)開展博士后研究工作。2021年進入劍橋大學(xué)從事新型二氧化碳吸附劑的開發(fā)與研究，申請專利5項。相關(guān)成果以第一作者/通訊作者身份發(fā)表在Nature, Nat. Commun., Chem, J. Am. Chem. Soc.等期刊。2022年8月加入香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院，主要致力于燃料電池、二氧化碳吸附等交叉領(lǐng)域研究。
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供稿 | 李懷光教授團隊
