直接空气捕获是一种降低大气中CO2水平的新兴技术，但目前该技术面临成本高昂、长期储存CO2后果不确定性等问题。同时，现有CO2利用技术通常依赖高浓度CO2进料或高温。本研究报道了一种气相双床式直接空气碳捕集与利用流动反应器，通过利用光能够在现场将空气中捕获的CO2转化为合成气（CO + H2），无需高温或高压条件。该反应器分为两部分：硅胶-胺吸附剂捕获空气中的CO2，释放无CO2空气；利用聚焦光释放捕获的CO2，并在二氧化硅/氧化铝-二氧化钛-钴双（三联吡啶）分子-半导体光催化剂作用下将其转化为合成气。同时使用解聚的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料的氧化反应作为逆反应。该技术设想为昼夜交替运行，夜间捕集CO2，白天在集中阳光下将其转化为合成气。
直接空气捕获（DAC）CO2技术是应对气候危机、主动去除大气中CO2的有前景技术。然而，DAC过程能耗高、成本昂贵，且无法产生具有经济价值的产品，这限制了其应用。尽管一些DAC技术通过碳捕获与储存将捕获的CO2地下存储，但长期地下储存的后果尚不明确。作为替代方案，将捕获的CO2转化为可再生燃料和化学品，既能创造价值，又能实现碳中和循环。然而，大多数CO2利用（CO2U）技术需要纯CO2作为碳原料以及需要高能量输入，限制了其在DAC中的整合。
1. 开发了一种集成的气相直接空气碳捕获与利用（DACCU）流动反应器，能够从空气中捕获并浓缩CO2，并利用模拟太阳光转化为可再生燃料。
2. 该双床反应器在昼夜周期内运行，夜间捕集CO2，白天在阳光照射下释放并转化为合成气。
3. 利用太阳能集热器聚集（模拟）阳光来加热CO2吸附剂（80-100°C）释放CO2，同时增强释放的CO2转化。
4. 采用氧化铝/二氧化硅-二氧化钛-钴双（三联吡啶）（Al2O3/SiO2|TiO2|CotpyP）复合材料作为催化剂，实现在湿固定床反应器中高效光还原CO2。
图1展示了集成式气相直接空气碳捕获与利用（DACCU）流动反应器的示意图。该双床反应器设想以昼夜循环方式运行：夜间通过二氧化硅-聚胺吸附剂捕获空气中的CO2，白天利用光热太阳能加热（80–100°C）释放浓缩CO2，并光催化转化为合成气（CO和H2混合物）。其中，SBA-15|PEI吸附剂实现高效CO2捕获，抛物槽式太阳能集热器提供光热脱附能量，以加热吸附剂有效释放CO2，同时驱动Al2O3/SiO2|TiO2|CotpyP复合材料实现气相CO2光还原，PET衍生乙二醇作为还原剂。
图1：通过由DAC和CO2U单元组成的双床流动反应器实现DACCU。
DAC实验表明，SBA-15|PEI吸附剂在湿润空气流过下能够有效捕获CO2，约9 h内完成CO2的去除，18 h后达到完全饱和，吸附量为87±4 mgCO2/g吸附剂。CO2的捕集时间（10-16 h）适合夜间运行。太阳能驱动的CO2光热释放实验显示，使用集光装置和吸收红外光热黑胶带覆盖吸附床外部来增加反应器床层温度，可有效释放CO2。此外，通过调整载气流速，可调节CO2释放速率与浓度。当流速为1ml min-1时，在30 min内释放的流出物中CO2的浓度为30%（v/v），2小时后浓度降至2%（v/v）以下。
图2：DAC和太阳能驱动的CO2光热释放。
进一步研究了TiO2|CotpyP与不同载体材料（如nSiO2、mAl2O3、γ-Al2O3、SBA-15）组成的CO2U复合材料用于太阳能驱动CO2转化为合成气的性能。在固定床流动光反应器中，乙二醇（EG）作为电子供体，CO2作为载气，CO2U复合材料（nSiO2|TiO2|CotpyP反应12 h后，CO产量为105 ±8 μmol/gTiO₂，H2产量为363 ± 35 μmol/gTiO₂，且CO2是CO的来源通过使用N2作为载气的对照实验和同位素标记实验验证。此外，本研究的催化系统表现出明显的载体效应，γ-Al2O3载体显著提升了CO选择性（CO:H2=5:4），而无载体时CO产率下降6倍；相比于二氧化硅（SiO2）纳米颗粒载体，介孔二氧化硅（SBA-15）载体的H2产率提高了2-3倍。利用γ-Al2O3|TiO2|CotpyP复合材料研究聚集阳光对系统的影响，发现在聚集光下，0.5 h内形成大量的H2和CO，随后CO产量下降，这是由于反应器床层温度升至56°C导致催化剂失活。通过引入水冷系统（25°C）后CO产率稳定提升至260 ± 24 μmol/gTiO₂（CO:H2=4:1）。此外，CotpyP负载量降低至0.005 wt%时，催化剂周转数（TON）增加到96±7，但总CO产率下降。
图3：CO2U单元的特性与性能。
高效液相色谱 (HPLC) 分析表明，反应后EG氧化的主要产物为甲酸盐与乙醛酸（GAD）二聚体（摩尔比~5:2），贡献了合成气生产所需电子的80%以上，可在与CO2U单元分离后用作平台化学品。通过13CO2和13EG同位素标记实验，证实甲酸盐与GAD的形成源于EG氧化路径，而非CO2还原路径。γ-Al2O3|TiO2（无CotpyP）对照组无CO生成且H2产率降低，证明CotpyP在CO2还原与质子还原反应中的催化作用。经KOH预处理的PET废物可转化为EG作为还原剂，在96 h反应中生成1,500 μmol/gTiO₂合成气（CO选择性为80%）。此外，研究表明CO产率与CO2浓度正相关，且空气作为载气和CO2源的对照实验产生的CO作为CO2还原产物可忽略不计，证明了需要上游CO2浓缩装置才能有效地将大气中的CO2光转化。
图4：CO2U氧化产物分析与稀释CO2响应。
通过构建包含DAC和CO2U单元的集成式DACCU流动反应器，实现了空气中CO2的昼夜循环捕获与光催化转化。在夜间操作中，DAC单元有效去除CO2，白天则通过CO2U装置光热加热促进CO2释放并转化为合成气。CO产率在初期为8.5 ± 0.8 μmol/g·h，随着CO2浓度降低而逐渐减少，恢复纯CO2气流后，CO生成恢复。使用N2作为载气可延长吸附剂寿命并避免危险的气体混合，而使用空气则降低了CO生成。此外，该系统具有高模块化和灵活性，可通过优化反应器设计、改进光管理等方式提高转化效率，并可将合成气进一步转化为液体燃料。例如，通过在CO2U单元下游使用第二层CO2吸附床重新捕获未反应的CO2或调整流向或照射点将重新捕获的CO2变换路径到利用单元，实现了CO2转化率提升。
图5：DACCU生产太阳能合成气。
本研究报道了一种集成式DACCU流动反应器，能够利用模拟阳光捕获、浓缩空气中的CO2并其转化为可再生合成气。该过程在夜间进行CO2捕获，白天通过光照释放并转化CO2，提供了一种无需高温或高压且无需运输和储存CO2、直接利用阳光的现场CO2转化方法。通过时空分离CO2捕获与转化，以及浓缩CO2和去除O2，解决了低CO2浓度和O2中毒的问题。本研究使用的CO2吸附剂具有高效的DAC能力，可在太阳光热加热下释放CO2，并可与多种CO2吸附剂兼容，如沸石、金属有机框架和共价有机框架。CO2U单元基于分子-半导体复合材料，能有效进行气相CO2转化。该气相湿床流动CO2U单元能与上游气相DAC单元集成，克服了溶液相中CO2浓度低的限制。未来将重点开发长期连续供料方法、产品分离技术以及能适应完整UV-vis光谱的红外光热耐热CO2转化催化剂，以实现该DACCU过程的实际应用。
Sayan Kar, Dongseok Kim, Ariffin Bin Mohamad Annuar, Bidyut Bikash Sarma, Michael Stanton, Erwin Lam, Subhajit Bhattacharjee, Suvendu Karak, Heather F. Greer & Erwin Reisner. Direct air capture of CO2 for solar fuel production in flow. Nat Energy (2025).
https://doi.org/10.1038/s41560-025-01714-y
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