Nature Chemical Engineering：高通量空氣捕碳！

Nature Chemical Engineering：高通量空氣捕碳！

MOFs在線 2026年1月18日 00:00 甘肅

傳統液體吸收式 DAC（如 KOH + CO? → K?CO?）必須依賴：
?大型風機與空氣接觸器提高氣液接觸
? 第二化學循環（Ca-looping）實現 KOH 再生
?大量水與能耗投入

致系統復雜、成本高昂（設備成本占比 >60%）。因此，尋找無需風機、不依賴固相循環、仍能保持高通量的 DAC 路徑成為關鍵科學問題。

成果簡介

研究團隊發現，當 KOH 濃度高于9 M時，OH? 水合結構發生突變，形成反應性極高的H?O?? 簇結構，可在空氣界面實現超快速 CO?→碳酸鹽固體的轉化。

基于這一機制，他們開發了一個被動式碳酸鹽結晶器（carbonate crystallizer）：
? 利用毛細結構將低濃 KOH 自動輸運至空氣界面
? 通過蒸發進一步局域富集
? 在界面快速結晶為 K?CO? 固體
? 無需風機，完全依靠自然風

該系統實現：
? 捕集通量為傳統接觸器的3–6 倍
? 自動化模塊化裝置可穩定運行25 天、七個循環
? 可完全使用電化學單循環再生 KOH，大幅降低資本成本（下降 42%）及平準化成本（下降 32%）

研究亮點

• 發現新的界面捕集機制：H?O?? 高反應性結構驅動超快速 CO? 固化

• 無需風機、無需 Ca-loop，構建單一化學循環 DAC

• 結晶器結構實現被動供液 + 蒸發富集 + 表面自結晶，全流程無需機械驅動

• 開發可擴展自動化模塊化裝置，實現連續捕集-溶解-再生循環

配圖精析

圖1｜傳統雙循環 DAC vs. 單循環結晶器 DAC

圖1展示對比：
傳統方案依賴KOH 液相循環 + Ca 固相循環，需要風機、泵、過濾、煅燒等大量設備。
新方案中，結晶器通過蒸發富集 + 表界結晶直接得到固體 K?CO?，再電化學再生 KOH，系統結構極度簡化。

圖2｜超過 9 M KOH 后捕集機制突變：界面快速固化

? 捕集通量在 >9 M 時陡增，超出傳統擴散模型預測。
? Raman 顯示高濃 KOH 中出現H?O?? 特征峰，其比例與捕集速率高度一致。
? 高濃 KOH 的 CO? 溶解度與擴散長度不足 30 nm，使反應局限在界面。
? 13.5 M KOH 液滴在空氣中迅速形成表面 K?CO? 晶層。

圖3｜結晶器結構設計：多股聚丙烯線的毛細與界面結晶行為

? 多股（3T、6T）結構能形成穩固毛細通道，實現連續輸液。
? 實驗顯示白色晶體沿線條逐漸生長，位置對應高 pH 富集區域。
? XRD 證實沉積物為高純度 K?CO?·1.5H?O。

圖4｜捕集速率：結晶器遠超傳統接觸器

? 自然蒸發驅動下，結晶器可維持穩定捕集，不出現傳統接觸器的速率衰減。
? 在 7 M KOH 下，捕集通量達到傳統裝置的6 倍。
? 濕度越低、自然風越高，結晶器捕集性能越強。
? 與傳統方案相比，結晶器的水耗接近（12–13 tH?O/tCO?）。

圖5｜可擴展自動化模塊：百根結晶器陣列的連續運行

? 設計包含：KOH 平臺、浮動液位計、自動補液泵、三維陣列結晶器。
? 2–3 天捕集后，通過注水沖洗即可將晶體收集為 ~2 M K?CO? 溶液。
? 在 25 天內完成七個循環，捕集速率穩定在1.7 tCO? m?3 yr?1。

總結展望

這項工作展示出 DAC 完全可以擺脫復雜機械設備，轉向自然風驅動的被動化工程模式。結合低成本聚丙烯材料、單一化學循環、電化學再生，本方法為未來大規模、低成本 DAC 提供了新方向。
未來重點包括：
? 更大尺度模塊化陣列的能效與材料壽命驗證
? 與可再生能源及沙漠地區部署策略的集成
? 捕集–再生堆棧的工程化優化

文獻信息

論文題目：Passive direct air capture via evaporative carbonate crystallization
期刊：Nature Chemical Engineering
DOI：10.1038/s44286-025-00308-5
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s44286-025-00308-5

（來源：網絡版權屬原作者 謹致謝意）