用于直接空气捕集的膜真空工艺中催化混合溶剂再生

从日常空气中捕获碳

直接从空气中提取二氧化碳是科学家希望用来减缓气候变化的工具之一，但目前这种做法的能耗很高。本研究探讨了通过重新设计既捕获CO2的液体又清洁和再利用该液体的方式，来显著降低某类直接空气捕集系统的能量需求。结果是一个能够在更低温度和更少热量消耗下再生含CO2溶剂的系统，使直接空气捕集向大规模、有气候意义的部署更进一步。

为什么清洁捕集液如此困难

大多数现有的从气体中去除CO2的工厂依赖于与气体发生化学结合的液体。问题在于，一旦这些液体饱和，就必须加热到高温使CO2脱附，然后才能重复使用。对于CO2极为稀薄的空气而言，这一能量开销尤为沉重。传统溶剂通常需要大约120–140°C的温度来刷新，这会给设备带来压力并缩短液体的寿命。该团队着手重新设计这一“清洁”步骤，使其能在更低温度下运行，同时仍能释放大量CO2。

更温和的溶剂再生方式

研究人员将注意力集中在一种称为膜真空再生的技术上。在这里，温热溶剂流过一束微小的中空纤维。CO2和部分水蒸气通过纤维壁渗透到低压一侧，留下被净化的溶剂。通过仔细挑选并测试三种不同的膜组件，他们确定出一种既能实现强有力CO2去除又能限制水分损失的配置：带有非常薄保护涂层的中空纤维模块。这一设计在CO2易于迁移与膜抗液体浸润（否则会随着时间降低性能）之间取得了平衡。

用智能溶剂与催化剂提升性能

第二项创新在于既改进了液体配方，又在液体流经的固体助催化颗粒上做文章。团队没有依赖单一成分，而是混合了两种基于氨基酸的盐——牛磺酸盐（taurinate）和肌氨酸盐（sarcosinate）。它们具有低挥发性、抗降解且相对温和的优点。通过调整配比，他们发现含三份牛磺酸钾与一份肌氨酸钾的混合物能从空气中吸收更多CO2，并在再生时更容易释放。此外，他们加入了一种精细设计的固体催化剂——在多孔二氧化硅上分散的掺铁硫酸化锆。当温热溶剂在到达膜之前通过这些颗粒组成的固定床时，固体表面的活性位点能加速CO2从液相解离，提高了CO2通量，使相同时间内能脱除更多气体。

找到节能的最佳点

通过数十次实验，作者调整了催化剂的制备方式及其用量。结果显示二氧化硅作为载体优于氧化铝，且活性物质与二氧化硅颗粒1∶1的比率表现最佳：活性位点太少则不足，太多则会堵塞孔隙。他们还发现将大约9%（按质量计）的催化剂装入固定床能获得接近最大化的收益，继续增加并不会带来显著改善。将优化后的混合溶剂和催化剂一起应用在仅90°C运行的低温膜系统中，与常用基准溶剂甘氨酸钾相比，再生所需的热量显著下降。

更精简的空气CO2提取路径

当所有部件组合在一起——调谐过的中空纤维模块、混合氨基酸溶剂以及精心设计的固体催化剂——系统在再生步骤上的热能使用量减少了约三分之二。具体而言，感热部分的热需求降至约每吨CO2 2.6吉焦，而包括其它贡献在内的估算总需求约为每吨CO2 6.5吉焦，与若干已知的直接空气捕集设计相当。对非专业读者而言，关键信息是：通过对液体、固体助催化剂和膜布局的协同优化，作者展示了一条可信路线，可以使直接空气捕集的能耗更低、更适合低温可再生热源，从而提高其作为长期气候工具的前景。

引用: Momeni, A., Anisi, H., McQuillan, R.V. et al. Catalytic hybrid solvent regeneration in membrane vacuum processes for direct air capture. Nat Commun 17, 2247 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69542-6

关键词: 直接空气捕集, 碳去除, 膜分离, 催化再生, 混合溶剂