东南大学npj Materials Sustainability：利用太阳能热能从环境空气中直接捕获二氧化碳合成甲醇

成果简介

近日， 东南大学 Xiangzhou Yuan 及其团队在自然合作期刊（ nature partner journals ）中的 npj Materials Sustainability 上发表了题为“ Solar thermal energy-assisted direct capture of CO ₂ from ambient air for methanol synthesis ”的观点论文。文章提出了一个先进概念，即利用太阳能热能将捕获的二氧化碳转化为液态甲醇，旨在同时减缓气候变化和提供绿色化学品。该概念强调了现有系统的整合，并突出了捕获、分离及利用二氧化碳的关键技术。文章回顾了基于金属 - 有机框架（ MOFs ）的直接空气捕获（ DAC ）技术进展，并强调太阳能热能的使用对于维持 DAC 的负碳特性至关重要。将 DAC 捕获的二氧化碳转化为甲醇，不仅增加了环境和经济效益，也有助于推动循环碳经济的发展。本文及时探讨了该技术整合的现状、发展动态及未来趋势，并全面分析了集成系统的应用潜力 。

图 1 太阳能热能辅助 DAC 实现二氧化碳到甲醇可持续转化的示意图 .

本研究只在探讨特定技术在集成系统中的技术特性所带来的益处，并通过审慎评估研究进展、挑战及未来展望来挖掘技术整合的潜力。利用太阳能热能辅助的 DAC 技术将捕获的 CO ₂ 转化为绿色甲醇，这不仅有助于减缓气候变化和加强能源安全，也符合联合国可持续发展目标，推动循环碳经济的发展。对集成技术全生命周期的环境影响估计，补充了绿色甲醇生产成本的制约因素。在环保技术需求日益增长的背景下，这种技术整合成为一个可行的选项。讨论各子系统内特定技术的发展，分析了它们面临的挑战和机遇，从而证实了技术整合的可行性。

近年来，直接空气捕获（ DAC ）技术因其在控制大气二氧化碳和限制全球变暖方面的潜力而受到关注。特别是基于固体吸附剂的 DAC 技术因其低温热源再生能力和低能耗而发展迅速。金属 - 有机框架（ MOFs ）作为高性能 CO2 捕获材料，因其结构可设计性和低能耗操作而备受研究者青睐 。

太阳能作为一种可持续的能源，其热能与 DAC 的集成被认为是降低成本的有效途径（图 1 ）。这种集成技术已显示出商业应用的高可行性。他们提出将太阳能热能辅助 DAC 与 CO ₂ 直接氢化相结合，以建立封闭碳循环，减少人类 CO ₂ 排放对环境的影响。甲醇因其低成本和高转化效率成为首选的碳基燃料。捕获的 CO ₂ 作为氢化反应的碳源，转化为甲醇，而氢气的生产和 CO ₂ 氢化过程所需的能源可由太阳能光伏系统提供。尽管甲醇作为替代燃料的研究已广泛开展，但将太阳能热能辅助 DAC 技术用于 CO ₂ 转化为绿色甲醇的实践仍较少见。

图文导读

• 减少 DAC 过程中额外的碳排放

直接空气捕获（ DAC ）过程中的高能耗会导致额外的碳排放，这对其碳负性特性提出了挑战。为了确保 DAC 产品的碳负性，集成可再生能源作为动力源至关重要。自 20 世纪 70 年代以来，集中太阳能技术已被广泛研究，用于热能供应。近十年来，太阳能热能辅助的碳捕获技术得到了广泛讨论，该技术利用太阳能进行吸附剂再生，有效降低了效率损失。最初于 2010 年提出的这一概念，专注于开发基于胺的系统，利用太阳能进行溶剂再生。此后，根据太阳能热能的集成方式，又引入了间接和直接太阳能热能辅助系统 。

本研究重点关注直接太阳能热能辅助方法，直接利用太阳能热能驱动碳捕获系统。太阳能热能作为热源的碳捕获系统的稳定运行至关重要，与传统的蒸汽放泄系统相比，太阳能集成系统能显著降低效率损失。此外，太阳能热收集器的类型对集成系统的可行性有显著影响，真空管收集器辅助的系统相较于抛物面槽式收集器辅助的系统，能实现更低的电力成本和 CO ₂ 去除成本。

太阳能热能利用

在太阳能热能利用方面，考虑太阳能热通量和主动控制策略对集成系统至关重要。研究了太阳能热能辅助的五步温度 - 真空摆动吸附（ TVSA ）碳捕获系统，用于水泥厂排放处理。该系统利使用动态模拟模型，结合天气数据进行年度规模分析，提出了 “ 太阳能脱除器 ” 概念。将太阳能热能利用与解吸单元的再生过程结合，采取有效的工艺控制策略以同步溶剂与动态太阳能热通量 。

集成到直接空气捕获技术中

对于 DAC 技术，由于空气中 CO ₂ 浓度较低，需要使用专门的吸附剂或多孔材料来富集和分离 CO ₂ 。研究了 TVSA 系统与太阳能和空调系统的集成，考虑了代表性天气条件，计算了太阳能热收集器提供的热能。初步技术经济评估（ TEA ）表明，太阳能热能供应系统与 DAC 系统的集成具有显著潜力 。

综上所述，太阳能热能利用与碳捕获技术的集成系统，由于可再生能源作为主要能源输入，具有节能潜力，能够减少 DAC 的额外碳排放。研究重点在于太阳能热能的动态特性和集成系统的关键组件，以及 DAC 技术的特殊考虑，未来研究将集中在提升系统性能和进行全面评估。

将太阳能热范围与新型材料相匹配

将吸附技术应用于从空气中分离 CO ₂ 是直接空气捕获（ DAC ）项目中一个有前景的实用选择。固体多孔材料，尤其是金属 - 有机框架（ MOFs ），因其发达的孔隙结构和大比表面积，在 DAC 技术中展现出高效捕获 CO ₂ 的潜力。尽管 MOFs 成本较高，预计随着技术发展和规模化应用，成本将降低至社会可接受水平 。

样品规模的性能表征

在样品开发方面，主要关注 MOFs 在 DAC 条件下的 CO ₂ 吸附能力。性能表征通常在模拟大气条件下进行，重点考察热再生温度。化学吸附用于捕获 CO ₂ ，要求反应可逆以实现吸附剂再生。 MOFs 能够在大气温度下吸附并分离低浓度 CO ₂ ，尽管实验室规模的性能测试与商业应用的实际表现可能存在差异。因此，未来的研究需要更多大规模实验数据，以准确评估 MOFs 在实际 DAC 循环中的性能。

表 1 MOF 在 DAC 技术中的典型应用 .

热再生适用于这些 MOFs ，再生温度（ ≤110°C ）与太阳能热能辅助过程的工作范围相匹配。如图 2 所示，太阳能热能源的温度范围与 MOFs 热再生的温度范围非常吻合。

图 2 DAC 应用中 MOF 的 CO ₂ 吸收和解吸温度 .

反应堆规模的实际应用

反应器规模应用的研究是将材料从样品规模扩展到实际空气接触器的关键步骤。在这一过程中，除了样品的制备和特性化，还需在实际反应器中测试样品的性能。为此，设计了一种核壳结构的球形颗粒（ cs-pellet ），其中一种 MOF 作为核心，另一种作为外壳，以保护核心 MOF 免受水分影响，更适合 DAC 环境。通过理论和模拟研究，从基本的 MOF 结构出发，开发了 30 种不同功能的变体，筛选出 10 种 cs-pellets ，其 DAC 性能优于单独的 MOFs 。此外，将 MOFs 合理塑造成可扩展的纤维吸附剂结构，证明了单体 MOFs 在反应器规模应用中的潜力。

系统规模研究需考虑更多实际场景，如能耗和投资等指标。提出了一个 5 步 TVSA 过程用于 DAC ，研究了两种 MOFs 作为 CO ₂ 吸附剂，并进行了建模和经济评估。然而，技术经济评估（ TEA ）结果尚不足以全面评价基于 MOFs 的 DAC 过程，需要引入生命周期评估（ LCA ）以获得更全面的评价。目前， MOFs 在 DAC 中的 LCA 主要限于样品规模研究，系统规模的研究工作亟待开展。

总结来说，基于 MOFs 的 DAC 技术因其优秀的 CO ₂ 吸附能力和与太阳能热源匹配的再生温度范围而展现出应用潜力。这些材料对 CO ₂ 和 H ₂ O 的竞争性吸附特性是一个挑战，需要在未来的研究中从反应器和系统规模的角度进一步探讨。

为封闭的碳循环生产增值的产品

通过 CO ₂ 氢化合成可再生甲醇（电甲醇）是一种减少 CO ₂ 排放并替代化石燃料的有前景的技术。甲醇作为一种环保燃料，燃烧时不产生有害副产品，适合作为交通燃料。目前，甲醇生产主要依赖天然气，但利用捕获的 CO ₂ 和绿色氢气（可再生能源驱动的水电解制氢）的催化反应，可以生产电甲醇，有效利用 CO ₂ 。

电甲醇生产的关键技术在于催化剂，目前工业上主要使用 Cu/Zn/Al 和 CuO/ZnO/Al ₂ O ₃ 催化剂。研究重点在于提高这些催化剂的效率。电甲醇作为一种低碳能源载体，其气候影响取决于电力和 CO ₂ 的来源。使用太阳能等可再生电力和 DAC 技术捕获的 CO ₂ 进行电甲醇合成，可以显著降低燃料生产的碳足迹。因此，将可再生能源与 DAC 技术结合，可以增强电甲醇生产的负碳特性，推动其作为一种环保能源的发展。

表 2 电甲醇生产的主要研究信息综述

对基于 DAC 技术的 CO ₂ 甲烷化制电甲醇的 TEA 显示，电甲醇的生产成本是其替代传统天然气基甲醇的关键因素。通过集成低温 DAC 单元并利用废热，可以实现经济可行的甲醇生产。尽管 DAC 在经济上尚无法与 MEA 洗涤 CO ₂ 捕获方法竞争，但太阳能热能辅助 DAC 技术的应用提供了解决成本问题的潜在途径。此外，碳税等政策在技术初期阶段也提供了必要的经济支持。

从环境角度来看，电甲醇的生产虽然成本较高，但其在制造过程中使用 CO ₂ 作为原料，有助于抵消使用过程中的温室气体排放。 LCA 已验证了电甲醇的环境友好性，研究重点转向评估每单位质量甲醇生产相关的全球变暖潜力（ GWP ）。使用可再生能源在甲醇生产中替代电网电力，可以显著降低 GWP 。特别是，当使用太阳能热能辅助 DAC 技术捕获的 CO ₂ 作为原料时，电甲醇生产的 GWP 可进一步降低，低于传统化石基甲醇。

因此，尽管绿色甲醇的生产成本较高，但其在减少 CO ₂ 排放方面的潜力巨大（图 3 ）。如果碳税达到一定水平，电甲醇生产可能具有经济可行性。同时，绿色甲醇的生产对于满足国际组织如 IMO 和 IEA 的温室气体减排目标至关重要。未来的研究应考虑技术进步对环境影响评估的影响，并从全生命周期角度准确评估绿色甲醇生产的 GWP 。

图 3 LCA 调查的系统边界 .

‘’

本研究探讨了太阳能热能辅助的 DAC 技术及其在生产绿色电甲醇中的应用，这一集成系统有望减少碳足迹并替代化石燃料。太阳能热能为 DAC 提供了可持续的热源，增强了系统的碳负效应，而基于 MOFs 的 DAC 技术提高了循环性能并降低了能耗。利用该技术捕获的 CO ₂ 作为原料，进一步降低了甲醇生产的全球变暖潜能，提升了与传统化石燃料相比的环保和可持续性 。

文章链接： https://doi.org/10.1038/s44296-024-00014-y