驾凌于现有技术！世界最快！超高速捕获空气中二氧化碳

　　编译|| 少数異見
　　校正|| FM0199
　　正文共：2277字 ，计阅读时间：6分钟
　　摘要
　　当下，为解决气候变化等问题，迫切地需要建立二氧化碳回收再利用技术。但是，现有的从大气中捕获低浓度二氧化碳（大气中二氧化碳浓度为400ppm）的技术（Direct air capture, DAC），无论是在效率和成本方面都有待改进，需要开发新的DAC技术。
　　Seiji Yamazoe 教授团队通过分离实现了二氧化碳吸收材料效率的提高和被吸收二氧化碳的分离（高效的二氧化碳搬运工）。成功地开发了一种新的空气中捕获二氧化碳（DAC）系统，即使在空气流通条件下也能以99% 或更高的效率去除400ppm 的二氧化碳。（图1）
　　图1 环己胺基二胺分子相分离高效DAC体系
　　要点
　　・CO2捕获： 可以通过液态胺与二氧化碳反应形成固态的氨基甲酸，实现了捕获二氧化碳产物的固液相分离。其中，吸收大气中的低浓度二氧化碳（400ppm）的效率高达99%以上(图1)。
　　・CO2分离 ：将固体氨基甲酸水溶液加热到约60 C，可以实现二氧化碳的分离和回收(图1)。
　　・本系统可吸收400ppm至30%的由低到高浓度二氧化碳，去除效率达99%以上，适用于任何产生固体氨基甲酸的胺类。该系统不仅可应用于DAC，还可用于从工厂废气中回收二氧化碳，是泛用性极高的系统。
　　研究背景
　　为了解决气候变化问题，实现碳中和和负碳。日本的目标是到2050 年之前建立新的技术，除了实现碳中和外，还要对之前过度排放的二氧化碳进行回收。目前，正在以胺吸收法为中心推进实际应用，以减少工厂等源头的二氧化碳排放。然而，虽然现有的胺吸收方法在吸收百分之几或更高浓度二氧化碳方面是有效的，但它们不适用于吸收ppm量级的低浓度二氧化碳。有效吸收大气中二氧化碳（400ppm）的技术需要0到1的突破。目前，Climeworks公司的Orca工厂正在建设使用KOH/Ca(OH) 2 为二氧化碳吸收剂的DAC工厂。然而，在低浓度二氧化碳的吸收效率和回收时的成本方面存在问题，为了将DAC技术投入实际应用，必须开发一种克服这些问题的新工艺。
　　研究细节
　　一般当胺（R-NH2）与二氧化碳（CO2）反应时，会产生不稳定的氨基甲酸（R-NHCOOH，胺与二氧化碳按1：1反应时，）和氨基甲酸根阴离子（R-NHCOO-，胺与二氧化碳反应2：1反应时）。我们专注于通过与二氧化碳反应形成的＂固体氨基甲酸＂的胺化合物。如果二氧化碳能在胺水溶液（液相）中与胺发生1：1的反应，并通过＂相分离＂迅速除去溶液中不安定的固态氨基甲酸，我们就可以实现二氧化碳的吸收与固定化。基于这些构想，我们尝试了各种胺化合物与二氧化碳反应，生成固体氨基甲酸的实验，发现具有至少一个与环己基部分键合的氨基（二胺化合物），可以稳定的通过相分离获取固体氨基甲酸（图2）。
　　在大量的实验中，我们知道了：
　　1.异佛尔酮二胺最能有效地吸收400ppm的二氧化碳，
　　2.二氧化碳与异佛尔酮二胺可以1比1反应
　　3.它甚至能与水溶液一起工作。
　　4.当向悬浮状态的固体氨基甲酸中通入氮气，并加热至60 时，所吸收的二氧化碳全部释放出来，固体氨基甲酸全部返回到液体异佛尔酮二胺中。这是因为固体氨基甲酸的溶解度因加热而增加，溶液中不稳定的氨基甲酸增加，导致即使在60 的低温下也会释放出二氧化碳（图2）。此外，异佛尔酮二胺具有99%以上的效率和100小时以上吸收大气中的二氧化碳的耐久性，即使重复吸收和释放二氧化碳5次，也没有观察到性能劣化。这表明异佛尔酮二胺可以反复用作二氧化碳吸收/释放材料。
　　图 2（上）异佛尔酮二胺高效吸收和去除 400 ppm CO2，形成固体氨基甲酸。（下）异佛尔酮二胺吸收/解吸 CO2 的机制。
　　本研究开发的异佛尔酮二胺相分离的DAC 工艺，每小时可吸收高达 214 mmol 二氧化碳（使用 1 mol 吸附剂）。这种二氧化碳吸附速度比正在装配的去除废气中二氧化碳的胺吸收技术快5倍，比使用KOH的DAC系统快3倍以上，是近年来的最快二氧化碳吸收工艺。另外，其速率是已知各种报道的DAC系统的两倍以上，所以它是世界上去除低浓度二氧化碳（400ppm）最快的系统。
　　研究的意义和波及效果
　　本研究开发的相分离 DAC 系统即使在水溶液中也能发挥作用，在 DAC 系统中表现出世界上最快的二氧化碳去除效率，并且作为吸附剂使用的异佛尔酮二胺具有很高的利用效率。它有望成为超越现有技术的高效DAC系统。此外，不仅可以在加热至60 释放所吸收的二氧化碳，并且可以重复使用，是很好的CO2搬运工。在这项研究中，我们还证明了可以长时间去除实际空气中的二氧化碳。如果进一步大型化该设备，并且进一步降低成本，这将凌驾于现有的技术。目前，我们的研究小组不仅在NEDO【1】项目＂UnexploredChallenge 2050＂中开发DAC系统，还开发了使用生物质衍生化合物的二氧化碳转化反应。通过将使用相分离的DAC系统与二氧化碳转化反应系统相结合，我们相信可以实现从空气中生产塑料和化学产品的无碳社会（图3）。
　　图 3 通过使用相分离的 DAC 系统将 CO2 资源化构想图
　　NEDO：New Energy and Industrial Technology Development Organization(日本的国立研发机构)
　　论文详情：
　　＂Direct Air Capture of CO2 Using LiquidAmine–Solid Carbamic Acid Phase-Separation System UsingDiamines Bearing Aminocyclohexyl Group＂
　　10.1021/acsenvironau.1c00065