Nature Chemical Engineering：高通量空气捕碳！

Nature Chemical Engineering：高通量空气捕碳！

MOFs在线 2026年1月18日 00:00 甘肃

传统液体吸收式 DAC（如 KOH + CO₂ → K₂CO₃）必须依赖：
•大型风机与空气接触器提高气液接触
• 第二化学循环（Ca-looping）实现 KOH 再生
•大量水与能耗投入

致系统复杂、成本高昂（设备成本占比 >60%）。因此，寻找无需风机、不依赖固相循环、仍能保持高通量的 DAC 路径成为关键科学问题。

成果简介

研究团队发现，当 KOH 浓度高于9 M时，OH⁻ 水合结构发生突变，形成反应性极高的H₃O₂⁻ 簇结构，可在空气界面实现超快速 CO₂→碳酸盐固体的转化。

基于这一机制，他们开发了一个被动式碳酸盐结晶器（carbonate crystallizer）：
• 利用毛细结构将低浓 KOH 自动输运至空气界面
• 通过蒸发进一步局域富集
• 在界面快速结晶为 K₂CO₃ 固体
• 无需风机，完全依靠自然风

该系统实现：
• 捕集通量为传统接触器的3–6 倍
• 自动化模块化装置可稳定运行25 天、七个循环
• 可完全使用电化学单循环再生 KOH，大幅降低资本成本（下降 42%）及平准化成本（下降 32%）

研究亮点

• 发现新的界面捕集机制：H₃O₂⁻ 高反应性结构驱动超快速 CO₂ 固化

• 无需风机、无需 Ca-loop，构建单一化学循环 DAC

• 结晶器结构实现被动供液 + 蒸发富集 + 表面自结晶，全流程无需机械驱动

• 开发可扩展自动化模块化装置，实现连续捕集-溶解-再生循环

配图精析

图1｜传统双循环 DAC vs. 单循环结晶器 DAC

图1展示对比：
传统方案依赖KOH 液相循环 + Ca 固相循环，需要风机、泵、过滤、煅烧等大量设备。
新方案中，结晶器通过蒸发富集 + 表界结晶直接得到固体 K₂CO₃，再电化学再生 KOH，系统结构极度简化。

图2｜超过 9 M KOH 后捕集机制突变：界面快速固化

• 捕集通量在 >9 M 时陡增，超出传统扩散模型预测。
• Raman 显示高浓 KOH 中出现H₃O₂⁻ 特征峰，其比例与捕集速率高度一致。
• 高浓 KOH 的 CO₂ 溶解度与扩散长度不足 30 nm，使反应局限在界面。
• 13.5 M KOH 液滴在空气中迅速形成表面 K₂CO₃ 晶层。

图3｜结晶器结构设计：多股聚丙烯线的毛细与界面结晶行为

• 多股（3T、6T）结构能形成稳固毛细通道，实现连续输液。
• 实验显示白色晶体沿线条逐渐生长，位置对应高 pH 富集区域。
• XRD 证实沉积物为高纯度 K₂CO₃·1.5H₂O。

图4｜捕集速率：结晶器远超传统接触器

• 自然蒸发驱动下，结晶器可维持稳定捕集，不出现传统接触器的速率衰减。
• 在 7 M KOH 下，捕集通量达到传统装置的6 倍。
• 湿度越低、自然风越高，结晶器捕集性能越强。
• 与传统方案相比，结晶器的水耗接近（12–13 tH₂O/tCO₂）。

图5｜可扩展自动化模块：百根结晶器阵列的连续运行

• 设计包含：KOH 平台、浮动液位计、自动补液泵、三维阵列结晶器。
• 2–3 天捕集后，通过注水冲洗即可将晶体收集为 ~2 M K₂CO₃ 溶液。
• 在 25 天内完成七个循环，捕集速率稳定在1.7 tCO₂ m⁻³ yr⁻¹。

总结展望

这项工作展示出 DAC 完全可以摆脱复杂机械设备，转向自然风驱动的被动化工程模式。结合低成本聚丙烯材料、单一化学循环、电化学再生，本方法为未来大规模、低成本 DAC 提供了新方向。
未来重点包括：
• 更大尺度模块化阵列的能效与材料寿命验证
• 与可再生能源及沙漠地区部署策略的集成
• 捕集–再生堆栈的工程化优化

文献信息

论文题目：Passive direct air capture via evaporative carbonate crystallization
期刊：Nature Chemical Engineering
DOI：10.1038/s44286-025-00308-5
原文链接：https://doi.org/10.1038/s44286-025-00308-5

（来源：网络版权属原作者 谨致谢意）