碳捕获技术转型：微波与电阻加热让直接空气捕获更高效

碳捕获行业正悄然发生一场变革。多年来，大多数从空气中直接提取二氧化碳的装置——即直接空气捕获（DAC）系统——依赖蒸汽提供热能。加热是释放并收集已捕获CO?的关键步骤，但蒸汽方式效率低下。近来，多家企业开始尝试新型电气化方案。

加利福尼亚州伯克利的AirCapture公司采用微波产热技术，并于今年6月凭借该技术斩获腾讯CarbonX 2.0大奖。北卡罗来纳州达勒姆的初创企业Sustaera则在其实验室规模的装置中使用电阻加热技术，并于今年3月宣布其效率比蒸汽方式高出三倍以上。总部位于伦敦的Mission Zero Technologies则研发出一种膜电渗析装置，完全绕过了对热能的需求。

这些探索发生在商业化DAC技术经历动荡的背景之下。该领域企业的目标是从大气中大量清除CO?，以减缓全球变暖，并在碳市场出售碳信用额度。然而，高成本、低效率、商业挫折、碳市场低迷以及美国国内的政治阻力，让这些企业举步维艰，迄今尚未在温室气体减排方面取得实质进展。

Sustaera联合创始人兼首席执行官科里·桑德森表示，DAC"是我们都需要的东西，但没有人愿意为此买单，所以我们必须尽可能降低成本"。他说："大家之所以转向电气化方案，是因为蒸汽路线行不通，我认为业界终于意识到了这一点。"

蒸汽加热的工作原理与局限

在典型的蒸汽DAC系统中，大型风扇将外部空气吸入，使其流过收集单元内的吸附剂床层。吸附剂吸收CO?，待饱和后收集单元关闭，蒸汽随即充满腔室，加热吸附剂并断开其与CO?之间的化学键，从而释放CO?以供收集，这一步骤称为"脱附"。总部位于苏黎世的Climeworks是大气碳捕获领域最知名的企业之一，采用的正是这种方式。

伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的电化学家刘泽延表示："人们之所以使用蒸汽，是因为它是一种非常成熟的工业方法。"但他同时指出，"我们看到一种从蒸汽向电力转变的趋势"。

蒸汽脱附的效率存在固有上限：蒸汽充满密闭空间时，不仅加热吸附剂，还会加热腔室内的所有物体。此外，蒸汽需经历气态与液态之间的相变，其效率受热力学定律制约。在低温环境下，蒸汽的表现也更差。

电气化加热方案更为精准，仅针对吸附剂本身——甚至仅针对吸附剂内的化学键——而无需加热整个收集单元，这也是Sustaera选择电阻加热（即焦耳加热）的原因。

电阻加热：精准高效的新路径

在这一方案中，电流流过由导电材料制成的吸附剂，运动的电子在材料中遭遇阻力时产生振动，从而加热吸附剂，而不会使整个腔室升温。Sustaera的吸附剂由氨基酸盐固体材料制成。桑德森表示："需要加热的物质大幅减少，效率显著提高，因此加热速度更快，所需能量也大幅降低。"

这一思路颇具吸引力，但距离大规模应用仍有很长的路要走。Sustaera的装置安置在达勒姆研究三角园区一栋企业孵化楼内一间逼仄的砌块房间里，通过墙上的孔洞抽入室外空气。房间约一半空间被用于测试吸附剂的管架占据，另一半则是这台被命名为"凤凰"的DAC装置。该装置每年约能从空气中捕获1吨CO?——相比之下，建筑周围的松树林所吸收的CO?远远超过这个数字。

该技术面临的挑战之一，是如何制造出既耐高温不易降解、又能均匀导电的吸附剂。设计不当会产生局部过热，导致吸附剂在反复使用中损耗。IEEE Spectrum记者7月造访Sustaera实验室时，桑德森正在测试四个葡萄酒软木塞大小的吸附剂样品。"我们先在这里筛选吸附剂和所有新型结构材料，可以运行数千个循环，从而获得验证稳定性的数据。"他说。

值得关注的是，航空巨头空中客车已就类似的电阻加热DAC技术在欧洲申请了专利。空客方面确认，公司"已对该专利所描述的电脱附技术进行了研究"，将其纳入碳捕获研发工作，但未透露更多细节。

微波技术：更精准的键断裂方式

其他团队则在探索更具针对性的加热方法——微波技术。该方法通过微波选择性地断开CO?与吸附剂之间的化学键，将其释放以供收集。

AirCapture正在开发这一技术。其工作原理如下：风扇将空气吸入，CO?被吸附剂吸收；随后，微波被定向照射到已结合CO?的吸附剂上。CO?本身对微波透明，但当其与吸附剂结合后，这些化学键对微波的响应方式类似于水分子。微波激活这些化学键，产生热量并释放CO?分子以供收集。AirCapture已在伯克利基地建造了一套中试规模的DAC装置，并已运行约一年。

AirCapture创始人兼首席执行官马特·阿特伍德预计，微波与蒸汽两种方案将各有适用场景。他表示，在蒸汽便于获取的环境中（例如来自工业余热），使用蒸汽的成本更低。而在其他环境中，微波方案则更具优势。

"举个例子，如果我们在地热蒸汽几乎免费的地方开发项目，那蒸汽方案就优于微波方案，"阿特伍德说，"但在大多数情况下，如果我们要付费发电来产生微波或蒸汽，微波方案通常成本更低，因为它资本投入更少、设备更简单、能效更高。"

西北大学的刘泽延表示，在对两种技术进行真正的成本比较之前，还需要大量测试。"目前针对DAC中电气化加热的研究成果不多"，而蒸汽产生过程的耗电数据"是经过广泛验证的成熟数字"。

刘泽延本人专注于电化学路线的研究——与其他方案不同，这一路线完全不依赖热能，而是通过电流驱动化学反应，直接断开束缚CO?的化学键。Mission Zero Technologies以及以色列初创企业RepAir Carbon均采用了这一路线。

行业困境：资金、声誉与政治压力

无论采用何种技术路线，DAC企业都面临着资金、声誉和监管等多方面的重重阻碍。CarbonCapture公司于2024年放弃了在怀俄明州建设设施的计划，原因是无法为项目筹集到足够的清洁能源。由Climeworks和Heirloom Carbon共同参与、原计划在路易斯安那州建设的DAC中心Project Cypress，也因政治势力试图取消其联邦拨款而延误数月，直至今年4月才恢复推进。

微软曾几乎凭一己之力建立起美国碳市场，但据报道，今年4月该公司表示将暂停购买碳信用额度，一个月后又重新购入。

这些混乱信号给相关企业带来了沉重压力。"形势确实很艰难，"桑德森说。工作仍在推进，但行业正在经历"一轮优胜劣汰……到头来，还是要看谁的技术最过硬。"

Q&A

Q1：直接空气捕获（DAC）系统为什么要从蒸汽加热转向电气化方案？

A：蒸汽加热存在固有的效率瓶颈——它会加热整个腔室而非仅针对吸附剂，同时蒸汽相变过程受热力学限制，在低温环境下表现也较差。相比之下，电阻加热（焦耳加热）和微波加热更具针对性，只加热吸附剂或其化学键，所需能量更少、速度更快，效率可提升三倍以上，因此越来越多的企业开始转向这一方向。

Q2：Sustaera的电阻加热技术目前达到了什么水平？还面临哪些挑战？

A：Sustaera已在实验室建造了一台名为"凤凰"的DAC装置，每年约可捕获1吨CO?，并宣布其效率比蒸汽方式高出三倍以上。目前主要挑战在于吸附剂的耐久性——吸附剂必须能够承受反复加热而不降解，同时还需保证电流均匀分布，避免局部过热损坏材料。公司正通过数千次循环测试来验证吸附剂的稳定性。

Q3：微波加热在直接空气捕获中是如何工作的？

A：在AirCapture的微波方案中，空气被吸入后CO?由吸附剂捕获，随后微波定向照射到已结合CO?的吸附剂上。CO?本身对微波透明，但与吸附剂结合后，化学键对微波的响应方式类似于水分子，微波激活这些键并产生热量，从而释放CO?以供收集。这种方式资本投入少、设备简单，在无法低成本获取蒸汽的环境中比蒸汽方案更具成本优势。