Nature Chemical Engineering：高通量空氣捕碳！

MOFs在線 2026年1月18日 00:00 甘肅

傳統(tǒng)液體吸收式 DAC（如 KOH + CO? → K?CO?）必須依賴：
?大型風(fēng)機(jī)與空氣接觸器提高氣液接觸
? 第二化學(xué)循環(huán)（Ca-looping）實(shí)現(xiàn) KOH 再生
?大量水與能耗投入

致系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂（設(shè)備成本占比 >60%）。因此，尋找無需風(fēng)機(jī)、不依賴固相循環(huán)、仍能保持高通量的 DAC 路徑成為關(guān)鍵科學(xué)問題。

成果簡介

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng) KOH 濃度高于9 M時(shí)，OH? 水合結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，形成反應(yīng)性極高的H?O?? 簇結(jié)構(gòu)，可在空氣界面實(shí)現(xiàn)超快速 CO?→碳酸鹽固體的轉(zhuǎn)化。

基于這一機(jī)制，他們開發(fā)了一個(gè)被動(dòng)式碳酸鹽結(jié)晶器（carbonate crystallizer）：
? 利用毛細(xì)結(jié)構(gòu)將低濃 KOH 自動(dòng)輸運(yùn)至空氣界面
? 通過蒸發(fā)進(jìn)一步局域富集
? 在界面快速結(jié)晶為 K?CO? 固體
? 無需風(fēng)機(jī)，完全依靠自然風(fēng)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：
? 捕集通量為傳統(tǒng)接觸器的3–6 倍
? 自動(dòng)化模塊化裝置可穩(wěn)定運(yùn)行25 天、七個(gè)循環(huán)
? 可完全使用電化學(xué)單循環(huán)再生 KOH，大幅降低資本成本（下降 42%）及平準(zhǔn)化成本（下降 32%）

研究亮點(diǎn)

• 發(fā)現(xiàn)新的界面捕集機(jī)制：H?O?? 高反應(yīng)性結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)超快速 CO? 固化

• 無需風(fēng)機(jī)、無需 Ca-loop，構(gòu)建單一化學(xué)循環(huán) DAC

• 結(jié)晶器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)供液 + 蒸發(fā)富集 + 表面自結(jié)晶，全流程無需機(jī)械驅(qū)動(dòng)

• 開發(fā)可擴(kuò)展自動(dòng)化模塊化裝置，實(shí)現(xiàn)連續(xù)捕集-溶解-再生循環(huán)

配圖精析

圖1｜傳統(tǒng)雙循環(huán) DAC vs. 單循環(huán)結(jié)晶器 DAC

圖1展示對比：
傳統(tǒng)方案依賴KOH 液相循環(huán) + Ca 固相循環(huán)，需要風(fēng)機(jī)、泵、過濾、煅燒等大量設(shè)備。
新方案中，結(jié)晶器通過蒸發(fā)富集 + 表界結(jié)晶直接得到固體 K?CO?，再電化學(xué)再生 KOH，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極度簡化。

圖2｜超過 9 M KOH 后捕集機(jī)制突變：界面快速固化

? 捕集通量在 >9 M 時(shí)陡增，超出傳統(tǒng)擴(kuò)散模型預(yù)測。
? Raman 顯示高濃 KOH 中出現(xiàn)H?O?? 特征峰，其比例與捕集速率高度一致。
? 高濃 KOH 的 CO? 溶解度與擴(kuò)散長度不足 30 nm，使反應(yīng)局限在界面。
? 13.5 M KOH 液滴在空氣中迅速形成表面 K?CO? 晶層。

圖3｜結(jié)晶器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：多股聚丙烯線的毛細(xì)與界面結(jié)晶行為

? 多股（3T、6T）結(jié)構(gòu)能形成穩(wěn)固毛細(xì)通道，實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸液。
? 實(shí)驗(yàn)顯示白色晶體沿線條逐漸生長，位置對應(yīng)高 pH 富集區(qū)域。
? XRD 證實(shí)沉積物為高純度 K?CO?·1.5H?O。

圖4｜捕集速率：結(jié)晶器遠(yuǎn)超傳統(tǒng)接觸器

? 自然蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)下，結(jié)晶器可維持穩(wěn)定捕集，不出現(xiàn)傳統(tǒng)接觸器的速率衰減。
? 在 7 M KOH 下，捕集通量達(dá)到傳統(tǒng)裝置的6 倍。
? 濕度越低、自然風(fēng)越高，結(jié)晶器捕集性能越強(qiáng)。
? 與傳統(tǒng)方案相比，結(jié)晶器的水耗接近（12–13 tH?O/tCO?）。

圖5｜可擴(kuò)展自動(dòng)化模塊：百根結(jié)晶器陣列的連續(xù)運(yùn)行

? 設(shè)計(jì)包含：KOH 平臺、浮動(dòng)液位計(jì)、自動(dòng)補(bǔ)液泵、三維陣列結(jié)晶器。
? 2–3 天捕集后，通過注水沖洗即可將晶體收集為 ~2 M K?CO? 溶液。
? 在 25 天內(nèi)完成七個(gè)循環(huán)，捕集速率穩(wěn)定在1.7 tCO? m?3 yr?1。

總結(jié)展望

這項(xiàng)工作展示出 DAC 完全可以擺脫復(fù)雜機(jī)械設(shè)備，轉(zhuǎn)向自然風(fēng)驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)化工程模式。結(jié)合低成本聚丙烯材料、單一化學(xué)循環(huán)、電化學(xué)再生，本方法為未來大規(guī)模、低成本 DAC 提供了新方向。
未來重點(diǎn)包括：
? 更大尺度模塊化陣列的能效與材料壽命驗(yàn)證
? 與可再生能源及沙漠地區(qū)部署策略的集成
? 捕集–再生堆棧的工程化優(yōu)化

文獻(xiàn)信息

論文題目：Passive direct air capture via evaporative carbonate crystallization
期刊：Nature Chemical Engineering
DOI：10.1038/s44286-025-00308-5
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s44286-025-00308-5

（來源：網(wǎng)絡(luò)版權(quán)屬原作者 謹(jǐn)致謝意）