編譯|| 少數(shù)異見

校正|| FM0199

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摘要

當(dāng)下，為解決氣候變化等問題，迫切地需要建立二氧化碳回收再利用技術(shù)。但是，現(xiàn)有的從大氣中捕獲低濃度二氧化碳（大氣中二氧化碳濃度為400ppm）的技術(shù)（Direct air capture, DAC），無論是在效率和成本方面都有待改進(jìn)，需要開發(fā)新的DAC技術(shù)。

Seiji Yamazoe 教授團(tuán)隊(duì)通過分離實(shí)現(xiàn)了二氧化碳吸收材料效率的提高和被吸收二氧化碳的分離（高效的二氧化碳搬運(yùn)工）。成功地開發(fā)了一種新的空氣中捕獲二氧化碳（DAC）系統(tǒng)，即使在空氣流通條件下也能以99% 或更高的效率去除400ppm 的二氧化碳。（圖1）

圖1 環(huán)己胺基二胺分子相分離高效DAC體系

要點(diǎn)

?CO2捕獲：可以通過液態(tài)胺與二氧化碳反應(yīng)形成固態(tài)的氨基甲酸，實(shí)現(xiàn)了捕獲二氧化碳產(chǎn)物的固液相分離。其中，吸收大氣中的低濃度二氧化碳（400ppm）的效率高達(dá)99%以上(圖1)。

?CO2分離：將固體氨基甲酸水溶液加熱到約60 C，可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的分離和回收(圖1)。

?本系統(tǒng)可吸收400ppm至30%的由低到高濃度二氧化碳，去除效率達(dá)99%以上，適用于任何產(chǎn)生固體氨基甲酸的胺類。該系統(tǒng)不僅可應(yīng)用于DAC，還可用于從工廠廢氣中回收二氧化碳，是泛用性極高的系統(tǒng)。

研究背景

　為了解決氣候變化問題，實(shí)現(xiàn)碳中和和負(fù)碳。日本的目標(biāo)是到2050 年之前建立新的技術(shù)，除了實(shí)現(xiàn)碳中和外，還要對(duì)之前過度排放的二氧化碳進(jìn)行回收。目前，正在以胺吸收法為中心推進(jìn)實(shí)際應(yīng)用，以減少工廠等源頭的二氧化碳排放。然而，雖然現(xiàn)有的胺吸收方法在吸收百分之幾或更高濃度二氧化碳方面是有效的，但它們不適用于吸收ppm量級(jí)的低濃度二氧化碳。有效吸收大氣中二氧化碳（400ppm）的技術(shù)需要0到1的突破。目前，Climeworks公司的Orca工廠正在建設(shè)使用KOH/Ca(OH) 2 為二氧化碳吸收劑的DAC工廠。然而，在低濃度二氧化碳的吸收效率和回收時(shí)的成本方面存在問題，為了將DAC技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用，必須開發(fā)一種克服這些問題的新工藝。

研究細(xì)節(jié)

　一般當(dāng)胺（R-NH2）與二氧化碳（CO2）反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的氨基甲酸（R-NHCOOH，胺與二氧化碳按1：1反應(yīng)時(shí)，）和氨基甲酸根陰離子（R-NHCOO-，胺與二氧化碳反應(yīng)2：1反應(yīng)時(shí)）。我們專注于通過與二氧化碳反應(yīng)形成的“固體氨基甲酸”的胺化合物。如果二氧化碳能在胺水溶液（液相）中與胺發(fā)生1：1的反應(yīng)，并通過“相分離”迅速除去溶液中不安定的固態(tài)氨基甲酸，我們就可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的吸收與固定化?；谶@些構(gòu)想，我們嘗試了各種胺化合物與二氧化碳反應(yīng)，生成固體氨基甲酸的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)具有至少一個(gè)與環(huán)己基部分鍵合的氨基（二胺化合物），可以穩(wěn)定的通過相分離獲取固體氨基甲酸（圖2）。

在大量的實(shí)驗(yàn)中，我們知道了：

1.異佛爾酮二胺最能有效地吸收400ppm的二氧化碳，

2.二氧化碳與異佛爾酮二胺可以1比1反應(yīng)

3.它甚至能與水溶液一起工作。

4.當(dāng)向懸浮狀態(tài)的固體氨基甲酸中通入氮?dú)?，并加熱?0 時(shí)，所吸收的二氧化碳全部釋放出來，固體氨基甲酸全部返回到液體異佛爾酮二胺中。這是因?yàn)楣腆w氨基甲酸的溶解度因加熱而增加，溶液中不穩(wěn)定的氨基甲酸增加，導(dǎo)致即使在60 的低溫下也會(huì)釋放出二氧化碳（圖2）。此外，異佛爾酮二胺具有99%以上的效率和100小時(shí)以上吸收大氣中的二氧化碳的耐久性，即使重復(fù)吸收和釋放二氧化碳5次，也沒有觀察到性能劣化。這表明異佛爾酮二胺可以反復(fù)用作二氧化碳吸收/釋放材料。

圖 2（上）異佛爾酮二胺高效吸收和去除 400 ppm CO2，形成固體氨基甲酸。（下）異佛爾酮二胺吸收/解吸 CO2 的機(jī)制。

　本研究開發(fā)的異佛爾酮二胺相分離的DAC 工藝，每小時(shí)可吸收高達(dá) 214 mmol 二氧化碳（使用 1 mol 吸附劑）。這種二氧化碳吸附速度比正在裝配的去除廢氣中二氧化碳的胺吸收技術(shù)快5倍，比使用KOH的DAC系統(tǒng)快3倍以上，是近年來的最快二氧化碳吸收工藝。另外，其速率是已知各種報(bào)道的DAC系統(tǒng)的兩倍以上，所以它是世界上去除低濃度二氧化碳（400ppm）最快的系統(tǒng)。

研究的意義和波及效果

　本研究開發(fā)的相分離 DAC 系統(tǒng)即使在水溶液中也能發(fā)揮作用，在 DAC 系統(tǒng)中表現(xiàn)出世界上最快的二氧化碳去除效率，并且作為吸附劑使用的異佛爾酮二胺具有很高的利用效率。它有望成為超越現(xiàn)有技術(shù)的高效DAC系統(tǒng)。此外，不僅可以在加熱至60 釋放所吸收的二氧化碳，并且可以重復(fù)使用，是很好的CO2搬運(yùn)工。在這項(xiàng)研究中，我們還證明了可以長時(shí)間去除實(shí)際空氣中的二氧化碳。如果進(jìn)一步大型化該設(shè)備，并且進(jìn)一步降低成本，這將凌駕于現(xiàn)有的技術(shù)。目前，我們的研究小組不僅在NEDO【1】項(xiàng)目“UnexploredChallenge 2050”中開發(fā)DAC系統(tǒng)，還開發(fā)了使用生物質(zhì)衍生化合物的二氧化碳轉(zhuǎn)化反應(yīng)。通過將使用相分離的DAC系統(tǒng)與二氧化碳轉(zhuǎn)化反應(yīng)系統(tǒng)相結(jié)合，我們相信可以實(shí)現(xiàn)從空氣中生產(chǎn)塑料和化學(xué)產(chǎn)品的無碳社會(huì)（圖3）。

圖 3 通過使用相分離的 DAC 系統(tǒng)將 CO2 資源化構(gòu)想圖

NEDO：New Energy and Industrial Technology Development Organization(日本的國立研發(fā)機(jī)構(gòu))

論文詳情：

“Direct Air Capture of CO2 Using LiquidAmine–Solid Carbamic Acid Phase-Separation System UsingDiamines Bearing Aminocyclohexyl Group”

10.1021/acsenvironau.1c00065