固体磷酸盐缓冲剂提升胺功能化吸附剂的CO2捕集性能并实现低能耗运行

为何更高效的碳捕集至关重要

减少二氧化碳（CO2）排放是遏制气候变化的核心，但现有的捕集技术常常消耗大量能量。本研究探索了一种使用经特殊设计的固体材料从气流中捕获CO2的新方法，这些材料不仅能吸附更多CO2，而且吸附速度更快、能耗更低。该工作有望使大规模碳捕集对发电厂和工业设施而言更便宜、更实用。

更聪明的碳海绵

许多现有系统依赖能吸收CO2的液体化学品，但这些液体可能腐蚀设备，并且需要高温加热来释放气体。涂有亲CO2分子（称为胺）的固体材料已成为有前景的替代方案：它们更易于处理、更稳定，而且潜在能耗更低。然而，这些“固体海绵”面临一个艰难的三重权衡。增加胺的填充量可以提高其吸附容量，但通常会减慢CO2在材料中的扩散速度，并且常常提升再生所需的能量。作者旨在打破这一容量—速度—能量的妥协。

用温和的盐整理内部结构

团队以介孔二氧化硅凝胶作为支撑——可以把它想象成一个刚性、类似海绵的框架，充满微小通道——负载了一种常见胺类四乙烯五胺（TEPA）。随后他们在该结构中引入了一种简单的固体磷酸盐：磷酸二氢钠。这种添加剂发挥了两方面作用。首先，它有助于将TEPA在孔道内更均匀地分布，防止形成堵塞通道并减缓气体流动的厚重黏性团块。对比表面面积、孔体积以及显微图像的测量均表明，尽管两种材料中胺含量相同，磷酸盐处理后的材料保持了更开放的通道和更均匀的涂层，而未经处理的版本则较容易阻塞。

微观上的质子中继

磷酸盐的第二个、更微妙的作用是充当微观的质子中继——当CO2与胺结合并释放时，会有微小带电粒子（质子）在位点之间移动。在普通的固体胺材料中，这些质子的迁移可能缓慢且耗能。通过形成由两种可方便获得或失去质子的磷酸形态构成的微小缓冲区域，改性材料创建了一种“质子高速通道”，加速了这些步骤。核磁共振、拉曼光谱和电学测量等多种技术的结果都清晰显示，磷酸盐与胺基团之间存在密切相互作用，且在改性材料中质子转移变得更容易。

更快的捕集、更容易的释放、更低的能耗

性能提升显著。在逼真的测试条件下，优化后的磷酸盐改性吸附剂每克捕获的CO2比未改性版本约多19%。它达到90%饱和容量所需时间缩短了28%，表明吸附速率大幅提高。更重要的是，加热时更容易释放CO2，使再生所需能量降低了27%。这些改进归因于孔道内更好的气体流动以及降低关键化学步骤能垒的质子中继效应。该材料在反复循环中也表现良好，多次使用后仅损失少量容量，放大试验表明该方法可兼容更大规模的批量生产。

这对未来碳捕集意味着什么

简单来说，研究者设计出了一种更聪明的CO2海绵，它能吸收更多碳、工作更快且更易于释放。通过精心管理活性分子在孔道内的排列并内置微小的质子中继站，他们克服了长期存在的吸附量、吸附速度与能耗之间的权衡。这一双重策略为下一代碳捕集材料提供了蓝图，可能使大幅削减排放变得更经济、更具可扩展性。

引用: Zhang, S., Liu, Y., Huang, Y. et al. Solid phosphate buffers boost CO₂ capture performance and enable energy-lean operation in amine-functionalized adsorbents. Commun Chem 9, 167 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-02014-6

关键词: 碳捕集, 固体吸附剂, 胺材料, 质子中继, 高能效CO2去除