二氧化碳是最主要的溫室氣體，在二氧化碳分離、捕集技術中，吸附技術是相對成熟且應用最多的一種技術。隨著我國“雙碳”目標的提出，與吸附技術相配套的二氧化碳吸附劑材料也廣受關注，低成本、高效率的二氧化碳吸附劑材料成為當前研究和產業化的熱點之一。

二氧化碳是最主要的溫室氣體，隨著我國“雙碳”目標的提出，二氧化碳捕集、封存和利用(CCUS)技術的發展以及應用場景的擴大，基于吸附技術實現二氧化碳捕集也廣受關注。其中，研發低成本、高效率的二氧化碳吸附劑材料成為當前研究和產業化的熱點之一。

固體吸附劑材料對環境友好

在二氧化碳分離、捕集技術中，吸附技術是相對成熟并且應用最多的一種技術。吸附技術具有能耗低、操作簡單、吸附量大、循環性能好等優點，與吸附技術相配套的二氧化碳吸附劑材料種類較多，總體而言，可分為固體吸附劑材料與液體吸附劑材料。

東南大學材料科學與工程學院教授張友法介紹，固體吸附劑材料具有較弱的腐蝕性，而且吸附能耗低，具有安全性和環境友好性等優勢，將其應用到二氧化碳捕集中具有很好的效果。固體吸附劑材料還包括了高溫吸附劑材料和低溫劑吸附材料。其中，高溫吸附劑材料以氧化鈣吸附劑材料為代表，能夠在高達600℃的溫度下對二氧化碳進行吸附。由于氧化鈣吸附劑材料屬于堿性物質，二氧化碳屬于酸性氣體，因此其能較為容易地吸附二氧化碳，這兩種物質通過化學反應生成碳酸鈣。

低溫吸附劑材料包括活性炭、沸石等，除了不能在較高溫度下吸附二氧化碳外，具有較好的二氧化碳吸附效率和再生性能等優點。以沸石為例，它是自然界中存在的一種天然硅鋁酸鹽，具有納米級的均勻孔徑，形成相互連接的通道和網狀結構，具有篩分分子、吸附、離子交換和催化作用，人工合成的沸石又被稱為分子篩。分子篩的吸附是一種物理過程，通過分子引力作用在固體表面產生一種“表面力”，當二氧化碳氣體流過時，其中的分子會碰撞到吸附材料表面，并聚集于此，從而使氣體中的分子數目減少，達到分離、清除的目的。由于吸附不發生化學變化，因此只要設法將聚集在表面的分子“趕跑”，“再生”的分子篩就又具有吸附能力了。

液體吸附劑材料成本較低

作為二氧化碳吸附劑材料生產企業之一，西安藍曉科技新材料股份有限公司(以下簡稱藍曉科技)董事長高月靜說，目前全球范圍內，工業化的二氧化碳捕集技術以溶劑吸附法為主，核心吸附材料為液體有機胺化合物。液體胺吸附效果好、成本低，但是再生能耗高，對設備腐蝕較大。

不過，隨著科技的進步，液體吸附劑材料也在不斷改進和優化。鄭州大學化工學院、中國科學院過程工程研究所等單位的科研人員發表的文章《負載型離子液體吸附分離二氧化碳的研究現狀及展望》顯示，因具有極低揮發性、強氣體親和性、可調的結構性質等特點，離子液體在二氧化碳捕集分離領域逐漸顯示出獨特的優勢。但離子液體通常黏度較高，或在室溫下呈固態，導致吸附效果差或者無法直接應用于吸附分離過程。

而負載型離子液體是將離子液體與有機或無機多孔材料，通過物理或化學方法結合而形成。作為二氧化碳吸附劑材料，負載型離子液體兼具離子液體和多孔材料的共同優勢，不僅能提升選擇性分離效果，還能有效避免采用離子液體直接吸收二氧化碳的高黏度問題，提高了二氧化碳吸附效率。通過離子液體和載體的不同結合方式，負載型離子液體可分為物理負載型、化學負載型離子液體，其合成方法通常為浸漬法、鍵合法、溶膠—凝膠法等。與離子液體結合的多孔材料，主要包括硅基、聚合物、活性炭、沸石與金屬有機骨架等。

新型吸附劑材料不斷出現

當前，我國在二氧化碳吸附劑材料研發方面不斷取得新突破。如南京工業大學化工學院劉曉勤教授、孫林兵教授課題組研發出一種智能光響應吸附劑材料，實現了對二氧化碳的低能耗、可控式捕集。相關研究成果發表在國際知名期刊《德國應用化學》上。

在工業上的吸附分離操作中，傳統吸附劑材料通常需要在變溫或變壓條件下實現其循環使用，也就是在常溫下吸附、升溫時脫附或在加壓下吸附、減壓后脫附。“但問題是，這個吸附—脫附的過程能耗較高。”孫林兵說，材料能吸附二氧化碳，材料本身就必須具備吸附活性位點，否則就無法實現選擇性吸附。

為了減小吸附—脫附過程的能耗，課題組在吸附劑材料中引入諸如偶氮苯等光響應成分，使其和活性位點發生作用，在不同光照條件下，響應分子的構型發生轉變，進而對活性位點的性質進行了調節，實現二氧化碳的吸附和脫附。

“我們在不同光照條件下，對活性位點進行調試，最終實現了對二氧化碳的可控性捕集。”孫林兵說，這種新的吸附—脫附調控機制相較于傳統的變溫、變壓吸附大大降低了能耗。

無獨有偶，張友法團隊發明了一種用于潮濕條件下高效捕集二氧化碳的改性活性炭材料。由于價格低廉、豐富和可定制的物理、化學特性，活性炭成為工業化應用中最具潛力的吸附劑材料之一。但工業煙氣中往往含有大量的水蒸氣，當煙氣中水蒸氣濃度過高，水分子會通過競爭吸附、孔隙堵塞等顯著降低吸附劑材料的二氧化碳捕集效率，因此人們迫切需要開發新技術以減少水蒸氣對活性炭吸附性能的影響。張友法團隊讓疏水性有機框架材料，原位“生長”在功能性碳材料中，制備出復合材料。這種復合材料具有耐久性、高比表面積和疏水性能，可以在高濕工況下實現高效二氧化碳捕集。這項技術還廣泛適用于其他遭受水蒸氣競爭吸附影響的吸附材料生產中。

有些吸附劑材料已有小范圍應用

“目前，對二氧化碳吸附劑材料的研究很多，但絕大多數還處于基礎研究階段。”孫林兵說，有些吸附劑材料在小范圍的某些特殊場景下已有應用，但大范圍應用吸附劑材料還是相對少見。在產業化方面，吸附劑材料的使用還需要跟生產所采用的工藝耦合，并需要進一步綜合評估其成本和經濟效益情況。

開發兼具高吸附容量、低成本的二氧化碳吸附劑材料被認為是CCUS技術未來商業化應用的關鍵。高月靜說，創新研發二氧化碳吸附劑材料是企業工作的重點方向之一。藍曉科技通過與歐洲大型化學品公司的合作，已經實現了向歐洲市場提供二氧化碳吸附劑材料，并形成了商業化應用案例。

不過，《負載型離子液體吸附分離二氧化碳的研究現狀及展望》也指出，盡管目前報道的負載型離子液體用于二氧化碳吸附分離的研究較多，但主要還局限于實驗室研究，要實現大規模應用，還需要解決多方面的問題。比如工業生產環境復雜多樣，盡管目前設計、研究出用于吸附的材料種類很多，但還需要在現有基礎上進一步發展出更多種類的吸附劑材料，以滿足使用要求;吸附劑材料在各類環境中吸附、脫除二氧化碳時，往往還存在其他雜質氣體的干擾，如工業煙氣中常含有二氧化硫、二氧化氮等酸性氣體，密閉空間和空氣中常含有大量的水蒸氣等;復雜組分下二氧化碳與吸附劑材料的作用關系、選擇性和長周期循環穩定性等還需要更多的實驗數據進行驗證，為其實際應用提供支撐。

孫林兵說，隨著技術的發展，二氧化碳吸附劑材料生產和使用的成本也會再進一步降低，使用的范圍和場景也可能會隨之擴大和增加。