据统计，这是2022年全球二氧化碳在空气中的排放总量。随之而来的空气质量下降、海洋温度升高、极端气候频发等环境问题，促使研究人员不断尝试用各种手段带来改善。其中，直接空气捕集（DAC）是实现碳中和的关键措施。通过从大气中吸取二氧化碳再将其安全封存，DAC可以捕集到碳并实现资源回收。但大气中极低的二氧化碳浓度限制了DAC的碳捕集效率，而一种新型DAC吸附材料的出现，或将成为碳捕集技术实现广泛应用的重要转折点——

作者：陈豪、董航、石中玉

通讯作者：Arup SenGupta

近日，GTSI董航老师在著名学术期刊Science子刊Science Advances上，以联合作者身份发表了题为“Direct air capture (DAC) and sequestration of CO2: Dramatic effect of coordinated Cu(II) onto a chelating weak base ion exchanger”的论文。文中报道了一种高容量空气CO2捕集材料，该材料既可以在不到90°C的温度下再生，也可以使用海水作为再生剂，将CO2转化为无害、化学稳定的碳酸氢盐进行封存。双模式再生提高了技术应用的灵活性，并提供了利用海洋资源进行CO2捕集和封存的新技术途径。以下是董航老师对这一最新成果的介绍。

△ 该成果得到CNN、雅虎新闻等专题报道

目前大多数DAC材料捕集容量在1.0到1.5 mole CO2/kg范围内，进一步提高吸附容量对提高DAC整体技术的经济可行性至关重要。

项目发现以铜离子为介质可以大幅提高胺基官能团的碳捕集容量。当铜等过渡金属阳离子通过Lewis酸碱 (LAB) 相互作用共价连接到具有多个氮电子供体的螯合聚合物时，铜离子的两个正电荷不会被中和，因此配位铜离子可以作为阴离子交换吸附位点。 由此产生的具有聚胺-Cu(II) 结构的复合材料（Polyam-N-Cu2+），可以作为一种高容量阴离子吸附剂，并在广泛的 pH 范围内通过静电和LAB 相互作用与CO2水溶分子（HCO3-/CO32-）结合。

测试发现，通过使用氢氧根作为反离子，在大于50%空气湿度下，Polyam-N-Cu2+展现了超高的CO2吸附容量。材料饱和后可以使用传统胺基材料的热再生方法，也可以使用氯盐溶液通过离子交换洗脱碳酸氢根再生，因此海水是良好的材料再生剂。

项目使用大西洋真实海水发现材料再生效率达到80%以上，且洗脱的CO2以碳酸氢根形式可以长久封存。海水再生后，只需通过弱碱液润洗材料即可再次投入使用。由于氢氧根同样是配位离子，因此润洗过程通过氢氧根替换氯离子具有极高的效率，且只需极低的碱液浓度。反应过程如下：

这项成果表明，通过配位连接 Cu(II) 可以显著提高弱碱胺官能团的 CO2 捕获能力。所得复合材料化学稳定且机械强度高，并可重复多次操作循环。其积极意义可被归纳如下：

• 即使在 CO2 浓度仅为 400 ppm 的大气条件下，Polyam-N-Cu2+ 的容量也明显高于其他高浓度碳源碳捕集材料，且吸附能力与 100,000 ppm CO2 浓度下的吸附能力几乎相同。
• 该复合材料提供双重再生模式，热再生和海水再生，且海洋可以作为巨大碳汇途径封存碳酸氢盐。
• 原材料可从全球多家制造公司获得；因此，Polyam-N-Cu2+ 的生产可以迅速扩大。 这种复合材料的实用性对DAC相关的全球实践具有积极意义。

Dr. Hang Dong

Assistant Professor, GTSI

Ajunct Professor, Georgia Tech

董航老师于2022年加入GTSI。他专注于开发低碳选择分离（LOCSS）技术以解决各种环境问题。其团队目前关注的方向包括设计新材料、新工艺和新设备，用于CO2捕集利用封存（CCUS）以促进碳中和，以及从废物中回收资源以促进循环经济的发展。