2024-06-19 | 科研部 南科大张作泰团队设计二氧化碳捕集材料的新体系

近日，南方科技大学环境科学与工程学院张作泰研究团队在CO₂捕集领域取得重要突破。相关成果以“Atom-level interaction design between amines and support for achieving efficient and stable CO₂ capture”为题发表在学术期刊《Nature Communications》上。该研究提出了一种新型的胺-载体系统，实现了高效且稳定的CO₂捕集，为CO₂捕集材料的设计提供了一种新的选择。

随着人类活动的加剧，CO₂排放量急剧增加，导致温室效应加剧，全球气候变暖问题日益严峻。碳捕集、利用与封存（CCUS）被认为是减少二氧化碳排放的最有效、最现实的短期解决方案。据国际能源署预测，到2050年，CCUS技术将累计捕集270亿吨CO₂。开发新型的、高效的CO₂捕集材料，显得尤为重要。在新材料的开发中，多孔固体吸附剂因其非腐蚀性和较低的再生能耗成为下一代碳捕集技术研究的前沿。特别是胺功能化吸附剂，由于其对CO₂的高选择性和对水蒸气的耐受性，适用于多种CO₂捕集场景。然而，这些吸附剂在实际应用中仍面临吸附效率低、循环性能不稳定等问题。因此，开发出一种既高效又稳定的CO2捕集材料，对于应对气候变化挑战具有重要意义。

研究团队基于原子级设计，成功合成了一种新型的胺-载体系统。该系统通过将聚乙烯亚胺（PEI）分子精确地浸渍到MIL-101(Cr)的笼状孔中，并与其内部的不饱和铬酸位点形成强配位，从而形成稳定复合材料。这种独特的设计不仅实现了低再生能量（39.6 kJ/mol CO₂），还展现出优异的循环稳定性（在干燥的二氧化碳再生条件下，每个循环衰减率仅为0.18%），高二氧化碳吸附容量（4.0 mmol/g），以及快速吸附动力学（在室温下15分钟即可达到饱和）。

图1. 新型胺-载体体系的材料碳捕集性能

此外，研究首次揭示了胺与载体之间的电子级相互作用，防止了氨基甲酸盐产物的脱水反应，大幅提高了材料的稳定性。研究结果表明，这种新型材料在CO₂捕集方面具有巨大的潜力，为实现低成本、可持续的CO₂捕集提供可行的策略。

该研究不仅为CO₂捕集提供了一种新的选择，还为未来环境保护和能源节约领域的研究提供了重要参考。研究团队将继续优化拓展碳捕集材料体系，并探索其在实际工业应用中的潜力，助力全球应对气候变化的努力。

环境科学与工程学院张作泰课题组博士研究生孙鑫为论文第一作者，张作泰教授、沈雪华研究助理教授和王浩教授为共同通讯作者，南方科技大学为本论文第一通讯单位。以上研究得到了国家自然科学基金、广东省科技厅和深圳市科创局的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48994-8

供稿单位：环境科学与工程学院

通讯员：周亦潆

主图：课题组提供

编辑：周易霖