用胺进行燃烧后CO
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捕获提供了一种几乎随时可用的捕获技术，有助于实现净零碳排放。然而，由于涉及的高工艺温度，该技术的再生成本很高。最近，研究人员提出了一种替代解决方案，即通过催化来提高CO
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的解吸速率。据报道，有两种类型的催化剂：基于沸石或金属有机骨架的酸性催化剂，以及金属氧化物或羟基氧化物催化剂。沸石基催化剂的研究最为深入。它们的酸性位点被认为是CO
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解吸的主要活性位点，尽管最近的研究似乎对这些强固体酸的真正催化效果提出了质疑，因为观察到的催化周转率几乎不超过1。迄今为止，许多布朗斯台德酸催化剂，例如SO
4
2-
/ZrO
2
、SO
4
2-
/ZrO
2
/MCM-41-Fe
2
O
3
、Ce(SO
4
)
2
/ZrO
2
、CMK-3-SiO
2
和SO
4
2-
/ZrO
2
/SBA-15、介孔氧化物和酸性粘土已被证明表现出与沸石类似的行为。
WO
3
、MoO
3
和Ag
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O等金属氧化物催化剂表现出优异的CO
2
解吸速率，但它们在反应条件下的显著溶解使其更类似于均相催化剂，引起分离和腐蚀问题。金属羟基氧化物（TiO(OH)
2
、FeOOH和ZrO(OH)
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）具有更多的酸性羟基，表现出比其相应的金属氧化物（TiO
2
、Fe
2
O
3
、ZrO
2
）更高的活性，尽管不同酸性羟基氧化物之间的催化性能差异不太明显。除了增加酸性羟基的密度之外，人们对催化材料的特性如何影响性能知之甚少，因为对其潜在机制知之甚少。此外，CO
2
解吸催化大多在间歇条件下进行研究，但在连续流动条件下进行评估会更好。
比利时鲁汶大学Bert F. Sels教授、中国科学院广州能源研究所廖玉河研究员
等研究人员报道了一种实用的凝胶合成法合成的高活性ZrO
x
H
y
催化剂。经测试，与无催化剂）体系和文献参考TiO(OH)
2
相比，这种催化剂的解吸速率常数(
k
)分别
高出3.5倍和2.5倍
，且在多次回收再利用循环后活性没有明显损失。彻底的物理化学表征揭示了高解吸率背后的基本表面特性。Zeta表面电位测量和热重分析(TGA)显示，参考TiO(OH)
2
和ZrO
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H
y
之间存在明显的表面电荷电位差，这归因于-OH 基团与其表面酸碱性之间的关系。为了进一步了解这些–OH基团的作用，通过改变凝胶的pH值合成了具有改性–OH结构的ZrO
x
H
y
催化剂，这对催化结果有显著影响。对这些ZrO
x
H
y
材料进行彻底的光谱表征发现，周转频率与桥接
–
OH
b
和末端–OH
t
位点的比例之间存在火山关系，表明存在协同机制，而两个位点的接近性并不是必不可少的。在连续CO
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解吸固定床反应器中测试了最佳ZrO
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H
y
，与参考非催化解吸相比，
CO
2
解吸速率提高了2.5倍
，这对应于在温和温度下接近平衡的CO
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解吸的显著时空产率。这意味着不仅在能源方面，而且在设备和溶剂成本方面都具有巨大的节省潜力。
相关研究成果以“
Proximity-independent acid–base synergy in a solid ZrOxHy catalyst for amine regeneration in post-combustion CO2 capture
”
为题
发表在
Nature Catalysis
上。
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高效的ZrO
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H
y
催化剂
：开发了一种实用且高效的ZrO
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H
y
固体催化剂，其CO
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脱附速率比现有最佳材料TiO(OH)
2
高出2.5倍，且具有良好的稳定性和可回收性。
酸碱协同机制
：揭示了ZrO
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y
催化剂在CO
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脱附过程中的酸碱协同机制，即两个催化循环通过酸碱平衡相互作用，且这种协同作用不依赖于活性位点的邻近性。
工业应用潜力
：在连续固定床反应器中验证了ZrO
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催化剂的性能，结果表明其可显著缩短接触时间，降低再生能耗，减少设备和溶剂成本，具有良好的工业应用前景。
实际验证与机制理解
：研究不仅在间歇条件下进行了催化剂性能的测试，还在连续流动条件下进行了验证，为催化剂的实际应用提供了更可靠的数据支持。同时，通过多种光谱技术深入探究了催化机制，为催化剂的设计和优化提供了理论依据。
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图4.采用原位ATR-FTIR光谱法确定酸碱协同机制
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这项研究报道了一种高效的非均相催化剂ZrO
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H
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，它在温和温度下从胺类水溶液中解吸CO
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时表现出很高的催化效果，且具有良好的可回收性和稳定性。这种催化效果不仅在常用的MEA水溶液中观察到，而且在其他商业相关的胺类中也有效，例如AMP。动力学和（原位）光谱研究揭示了一种不依赖于邻近性的双位点协同机制，涉及弱酸（–OH
b
）和弱碱（–OH
t
）表面位点。每个位点适当的酸碱性质以及两个位点的微妙平衡（通过物理混合两个位点或通过将位点容纳在单一催化剂材料上（从而控制pH值））对于协同效应至关重要，从而能够实现快速的催化CO
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解吸。最好的ZrO
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在连续固定床系统中的表现优于现有材料，显示出显著缩短的接触时间以达到类似的解吸平衡。因此，结果证明了催化通过降低溶剂和设备成本带来的益处，因此可能有望用于工业用途，为此需要颠覆性的反应堆工程和工艺开发，以充分利用催化在CO
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解吸中的优势。
https://doi.org/10.1038/s41929-025-01307-8
（点击文末阅读原文可下载原文献）
