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化学进展 >

2025 , Vol. 37 >Issue 4: 593 - 611

DOI: https://doi.org/10.7536/PC240608

综述

燃烧后CO2捕获材料

  • 江佳佳 1, † ,
  • 赵俊虎 2, † ,
  • 喻勤 3 ,
  • 张甜 , 1, 2, 3, *
展开
  • 1 武汉理工大学材料科学与工程学院 武汉 430070
  • 2 武汉理工大学资源与环境工程学院 武汉 430070
  • 3 武汉理工大学化学化工与生命科学学院 武汉 430070

收稿日期: 2024-06-21

  修回日期: 2024-10-10

  网络出版日期: 2025-03-19

基金资助

中组部“千人计划”青年项目(40127002)

收起

Post-Combustion CO2 Capture Materials

  • Jiajia Jiang 1 ,
  • Junhu Zhao 2 ,
  • Qin Yu 3 ,
  • Tian Zhang , 1, 2, 3, *
Expand
  • 1 School of Materials Science and Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China
  • 2 School of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China
  • 3 School of Chemistry，Chemical Engineering and Life Sciences，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China
*

†These authors contributed equally to this work.

Received date: 2024-06-21

  Revised date: 2024-10-10

  Online published: 2025-03-19

Supported by

Youth Funding Project of the "Young Thousand Talents Program" of the Organization Department of the CPC Central Committee(40127002)

Fold

摘要

工业的持续发展带来了巨大的经济效益，但也对环境造成了极大的危害。化石能源燃烧产生的超多CO2被排放到自然环境中，对环境和人类健康构成威胁。所以人们正在努力开发能够有效捕获CO2的材料。目前CO2捕获主要发生在化石燃料燃烧后，依据CO2吸附剂设计标准，多种多样的CO2捕获材料被设计开发出来，有固体吸附剂、液体吸附剂和多相吸附剂。各种吸附剂的吸附机理也不尽相同，包括吸附、吸收或两种机理共同作用。本综述聚焦于目前常见的各类吸附剂的捕获性能、吸收机理和优缺点，分别对胺溶液吸收剂、沸石基吸附剂、离子液体类吸附剂、碳基吸附剂、金属有机框架材料、共价有机框架材料、金属氧化物材料和生物聚合物纳米复合材料进行介绍，并对各类CO2吸附材料未来的发展做出展望。

关键词： CO2浓度; 燃烧后CO2; 捕获; 吸附; 捕获材料; 多相吸附剂

本文引用格式

江佳佳 , 赵俊虎 , 喻勤 , 张甜 . 燃烧后CO2捕获材料[J]. 化学进展, 2025 , 37(4) : 593 -611 . DOI: 10.7536/PC240608

Abstract

The sustained development of industry has brought enormous economic benefits，but it has also caused great harm to the environment. The excessive CO2 emissions from fossil fuel combustion are released into the natural environment，posing a threat to the environment and human health. So people are working hard to develop materials that can effectively capture CO2. At present，CO2 capture mainly occurs after the combustion of fossil fuels. According to the design standards for CO2 adsorbents，a variety of CO2 capture materials have been designed and developed，including solid adsorbents，liquid adsorbents，and multiphase adsorbents. The adsorption mechanisms of various adsorbents are also different，including adsorption，absorption，or a combination of both mechanisms. This review focuses on the capture performance，absorption mechanism，advantages and disadvantages of various common types of current adsorbents，and introduces amine solution absorbents，zeolite-based adsorbents，ionic liquids-based adsorbents，carbon-based adsorbents，metal-organic framework materials，covalent organic framework materials，metal-oxide materials，and biopolymer nanocomposites，respectively，with an outlook of the future development of CO2 adsorbent materials.

Contents

1 Introduction

1.1 Current status and hazards of CO2 emissions

1.2 CO2 capture technology

1.3 Criteria for designing CO2 capture materials

2 CO2 capture materials

2.1 Amine solution absorbents

2.2 Zeolites based adsorbents

2.3 Ionic liquids absorbents

2.4 Carbon-based adsorbents

2.5 Metal organic framworks

2.6 Covalent organic frameworks

2.7 Metal oxide sorbents

2.8 Biopolymeric nanocomposites

3 Comparison and Prospect of Capture Materials

4 Conclusion

Key words： CO2 concentration; post-combustion CO2; capture; adsorption; capture materials; multiphase adsorbents

1 引言

1.1 CO2排放现状及其危害

“在2030年前实现碳达峰，在2060年前实现碳中和”是我国生态文明建设整体布局的重要内容。调查显示，截至2020年中期，大气中CO2浓度已达416.5 ppm[1]，预测到2100年底，CO2浓度将增至570 ppm[2]。CO2作为一种储量丰富、经济可回收且在大气中存在寿命较长的温室气体[3]，其浓度过高不仅会导致恶劣的气候问题，如长期干旱、大洪水、飓风、酸雨、资源枯竭、降水模式改变、冰川冰体融化等，冰川融化还可能会导致冰封的远古病毒重新进入活跃状态，引起空气传播疾病。此外，变暖的环境对蚊子等生物有利，容易导致疟疾、蛔虫病等热带传染病向较冷地区传播，这对生态系统和生物多样性产生极大的不利影响[1,4-5]。造成空气中CO2浓度激增的主要原因是化石燃料的燃烧[1]，虽然目前大力推广的新能源在一定程度上能缓解全球CO2排放，但一些维持正常生活所必需的重型运输和工业仍难以脱碳[6]，数据显示，全球近80%~85%的能源需求由化石燃料提供[5]，因此排放的CO2正在以惊人的数量增长。为保护全球气候、维持市场经济稳定，有必要展开深入的科学研究，开发经济高效的CO2捕获材料，以降低大气中的CO2的含量[7]。

1.2 CO2捕获技术

二氧化碳捕获与封存（Carbon capture and storage，CCS）被认为是目前降低大气中CO2浓度最可行的技术[8]。根据燃烧方式和气流成分的不同，将CO2捕获分为燃烧前捕获、全氧燃烧捕获和燃烧后捕获[1,5]。燃烧前捕获是指在燃烧前，从沼气、天然气和合成气中分离出CO2，获得富集H2的清洁燃料[9]；全氧燃烧捕获是指在纯氧环境中燃烧燃料，产生不含N2及含氮化合物的高浓度CO2[9]；燃烧后捕获是指从燃烧系统产生的含有CO2、水蒸气（H2O）、二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）烟气中捕获和分离CO2。同时，在捕获前需要对烟气进行脱氮和脱硫处理[10]，还需要除尘和冷却以防止捕获材料降解[11]。三种捕获技术的优缺点比较见表1。
表1 三种碳捕获技术的比较

Table 1 Comparison of three carbon capture technologies

CO2 capture technology Advantages Disadvantages
Pre-combustion capture The concentration of CO2 is high which makes it easy to capture Not applicable to existing power plants；high investment cost；a large amount of energy consumed for chemical solvent regeneration
Oxy-fuel capture The concentration of CO2 is high which makes it easy to capture；avoids the requirement of chemicals A large amount of pure oxygen needs to be provided；high investment cost；limited existing technical knowledge
Post-combustion capture Suitable for large new and existing power plants，without the need for upgrades and renovations；convenient maintenance High energy consumption of adsorbent regeneration；low CO2 concentration in flue gas
燃烧后捕获是目前最常见和唯一商业化的方法[12]。本综述均围绕燃烧后CO2捕获材料展开，从已研发且具有应用价值的捕获材料出发，聚焦各类材料的捕获性能、捕获机理和优缺点等方面。

1.3 设计CO2捕获材料的标准

常见的捕获CO2的方法是吸收和吸附。吸收是一种将物质从蒸气态转为液态的技术，涉及两种流体相之间的传质，有物理溶解和化学结合两种。吸附是原子、离子或分子与材料表面之间出现的黏附现象，涉及流体和固相之间的传质，包括物理吸附和化学吸附[10]。无论是吸收还是吸附，理想的CO2捕获材料应满足以下标准：（1） CO2吸附/吸收容量与预期性能关系密切；（2） 捕获材料可在相对温和的条件下完成完全再生；（3） 在CO2与其他物质，如N2、甲烷、二氧化硫、水蒸气等气体共存情况下，捕获材料CO2表现出较高的选择性；（4） 捕获材料可快速完成CO2吸附/吸收和解吸；（5） 捕获材料能在循环再生过程中保持其微观结构和形态，并在一定条件下承受恶劣的操作条件；（6） 捕获材料的原料应价廉易得，且合成路线经济节能[1,10,13]。
目前已经研发出的CO2捕获材料种类较多，应用较多且前景广阔的吸附剂有沸石[3]、胺溶液吸收剂[14]、离子液体（ILs）类吸附剂[15]、碳基吸附剂[5]、金属有机框架（MOFs）[16]、共价有机框架（COFs）[17]、金属氧化物材料[18]、生物聚合物纳米复合材料[19]等。

2 CO2捕获材料

2.1 胺溶液吸收剂

胺溶液的燃烧后CO2捕获技术是目前最适合大规模部署的技术[20]。胺是氨分子中一个或多个氢原子被碳氢基团取代所得的产物。根据氮原子上氢原子数目的不同，将胺分为伯胺、仲胺、叔胺和空间位阻胺[1,5,14]。在干燥条件下，伯胺和仲胺可以与CO2反应生成氨基甲酸酯，起到良好的CO2固定作用，叔胺与CO2的相互作用较弱，在潮湿条件下，叔胺与CO2反应生成化学不稳定的胺基甲酸氢酯（图1a）[21]。使用胺溶液捕获CO2时，首先要从烟气中去除杂质，然后使烟气在40~60 ℃的温度下冷却，在吸收塔的填充结构中与吸收剂溶液接触，随后再升温使蒸汽剥离再生，胺溶液投入循环使用，利用胺溶液进行脱碳的工艺流程大致如图1b[16]。
图1 （a） 胺与CO2发生反应，（b） 胺洗涤工艺流程[14]

Fig.1 （a） Reaction of amine with CO2；（b） Amine scrubbing process flow[14]

工业上使用最多的是30 wt% MEA（单乙醇胺）水溶液[14]，该吸收剂价格经济且吸收率显著，其他种类的单组分胺溶液也具有较好的CO2吸收能力，此外，混合吸收剂被研发出来，以融合不同吸收剂的积极特征，同时克服它们的消极特征，降低CO2捕获成本[22]。Gao等[20]在中试实验中，将30 wt% MEA-甲醇混合溶剂分别在贫CO2负荷和富CO2负荷条件下进行吸收捕获，结果表明在不同CO2负荷条件下，其吸收率均高于30 wt%MEA水溶液。Hamidi等[23]以1，5-二氨基-2-甲基戊烷（DAMP）为吸收促进剂，配制了90% （MDEA+MEA）混合水溶液+10%DAMP的CO2吸收剂，并最终实现0.657 molCO2/mol溶液的吸收能力。
但在实际生产应用中，胺溶液吸收剂也存在许多显而易见的缺点，如循环再生困难、设备腐蚀严重、能耗高等，胺溶液的高挥发性还会对空气环境和工作人员健康造成威胁[24]。为克服这些缺点，具有可调胺含量的多孔固体材料被相继研发出来。主要通过两种方法制备胺基多孔吸附剂：将胺物理浸渍到多孔材料孔隙中和将胺共价锚定在多孔材料表面及内部[21]，具体情况将在下面的内容中穿插介绍。

2.2 沸石基吸附剂

沸石基材料是一类微孔固体材料，具有高表面积、高稳定性和化学可调性的结构特征，对CO2选择性高，且在低温下表现出高可回收性的潜力[3]。纯硅沸石从严格意义上来说属于分子筛，其CO2吸附性能高度依赖于沸石骨架的拓扑结构和沸石孔的大小，CO2与纯硅之间的作用力主要为色散力，由于拓扑结构差异，吸附过程中CO2分子会优先分布在沸石骨架中的活性位点位置[25]。除纯硅沸石外，用于CO2捕获的主要有阳离子交换沸石、胺改性沸石、沸石复合材料和沸石模板碳（ZTC） （图2）[3]。
图2 常用于CO2捕获的4种沸石的部分结构

Fig.2 Partial structures of four zeolites commonly used for CO2 capture

通过离子交换、浸渍或原位生长制备的框架外阳离子交换沸石在实际应用中研究较多。通过调整引入的阳离子种类、孔径的大小和灵活性、电场梯度和酸碱强弱，使阳离子交换沸石在不同混合气流中保持对CO2的高选择性[12]。Sun等[26]分别研究了钴、镍、锌、铁等八种过渡金属交换的SSZ-13沸石在有效捕获CO2方面的潜力，结果发现钴-金属交换沸石在常压下CO2吸收率最高，达4.49 mmol/g，研究认为这与CO2和过渡金属阳离子位之间形成的π-电子反馈有关（图3a）。胺改性沸石就是将胺接枝到沸石内部孔或通道或笼中，这类沸石属于有机-无机复合材料，在提高CO2吸附性能的同时，较好地克服了沸石在环境湿度大时吸附性能低的缺点[3,27]。Karka等[28]在不同温度下使用20%、40%、60%、80%的PEI（聚乙烯亚胺）负载沸石13X制得吸附剂（图3b），通过热重分析（TGA）研究了吸附剂对CO2的吸附性能。从研究中观察到，CO2捕获的最佳温度为75 ℃，最佳负载为60 wt%，此时CO2吸附量为1.18 mmol/g。胺改性沸石存在的问题主要是部分沸石孔隙堵塞和胺的流失损失，对此，解决方法主要有图4的4种方式。
图3 （a） SSZ-13金属交换沸石骨架捕获CO2[26]，（b） 13X-PEI吸附剂捕获CO2[28]

Fig.3 （a） CO2 capture by SSZ-13 metal-exchanged zeolite skeleton[26]；（b） CO2 capture by 13X-PEI adsorbents[28]

图4 胺改性沸石存在的问题及解决方法

Fig. 4 Problems and solutions of amine-modified zeolite

沸石复合材料是将附加材料集成到母体沸石中，以获得兼具附加材料性能和沸石性能的材料。Xiao等[29]将介孔材料NaX（FAU型八面体分子筛）与周期性介孔二氧化硅材料MCM-41结合起来，合成微介孔NaX/MCM-41复合材料（图5a），Qasim等[30]将MOF-74与沸石-5A组成沸石-5A@MOF-74复合材料（图5b）。沸石模板碳（ZTC）是将沸石作为多孔碳材料生长的硬模板，根据实验测定，ZTC材料具有相当大的窄微孔体积对气体筛分起到重要作用[3]，且ZTC在高温下具有孔形可调、孔隙率高和骨架坚固等特点，在潮湿和酸性条件下高度稳定[31]。Zhu等[32]将Co-2-甲基咪唑配合物引入Y沸石中，以十二元环作为Co和N的来源，碳化后脱除Y沸石，得到沸石模板碳，合成路线见图5c。
图5 （a） 沸石-5A@MOF-74复合材料结构示意图，（b） 构建NaX/MCM-41结构的仿真路线[29]，（c） Co/N-ZTC合成路径[32]

Fig.5 （a） Schematic structure of zeolite-5A@MOF-74 composite，（b） Simulation route to build NaX/MCM-41 structure[29]，（c） Co/N-ZTC synthesis pathway[32]

表2为所选沸石关于CO2捕获的部分数据汇总。
表2 部分沸石对于CO2捕获性能

Table 2 CO2 capture performance of some zeolites

Zeolites BET （m2/g） Temperature （K） Pore size （nm） Capacity （mmol/g） CO2/N2 selectivity Qst （kJ/mol） Ref
SAPO-34 402.2 278 0.3~0.8 22.7 2.6 36.74 33
Z4A 39 273 4.7 3.77 / 32.45 34
HZ4A-1-3 126 273 5.5 3.41 / 28.02 34
CS-ZX 561 298 / 4.23 / 10.4 35
3D-LTA 9.00 273 4 1.99 / 21.49 36
2D-LTA 12.66 273 4 2.31 / 44.52 36
Co（II）/SSZ-13 786.75 273 / 4.49 52.55 / 26
Ni（II）/SSZ-13 836.01 273 / 4.45 42.61 / 26
NZL-500 670.11 298 / 5.56 619.99 / 37
N-L 427.2 298 / 2.85 198.6 / 38
Modified Z-13X 16.58 298 1.2 5.50 / 40.681 39
KX 720.14 298 1.944 4.90 152 / 40
MCM41-450 259.10 298 / 2.275 / / 41
Na-ZK-4 687 273 / 4.86 49 40~45 42
Li-LSX 662.00 273 0.8~1.8 4.21 85.7 / 43
ZSM-5-25 404 273 0.5 2.22 77~149 / 44
HASM-5 417.63 298 2.647 4.27 / 54.27 45
Calcined Beads@2.0-3.0mm 586 273 5.4 4.5 / / 46
Zeolite X 735.88 273（303） 0.6 7.3（6.1） / / 47

2.3 离子液体吸附剂

离子液体（ILs）是指一类完全由阳离子和阴离子组成，在室温环境下呈液态或熔融态的盐[48]，具有挥发性低、极性高、热稳定性高、导电性高、可回收等优点，因此在CO2捕获方面有极为广泛的应用[49]。ILs的结构具有高度可调性，通过调整其阴阳离子结构或在结构上引入功能化基团，即可合成功能型ILs[15]。ILs中常见阴、阳离子类型见图6。
图6 离子液体中（a）常见阴离子类型，（b）常见阳离子类型

Fig.6 Ionic liquids with （a） common anion types，（b） common cation types

不同的阴、阳离子组合可以获得不同的捕获效果。Zhu等[50]研究了以超碱1，8-重氮杂环[5.4.0]十一碳-7-烯（DBU）和咪唑为原料制备的功能化质子离子液体（[DBUH+][Im-]）在CO2吸收中的应用，实验测定其吸附能力接近1 mol CO2/mol ILs （图7a）。ILs存在黏度大的缺点，直接用来捕获CO2会导致缓慢的吸收效率，因此可将ILs封装在固体材料中，突破动力学限制的同时保留ILs的CO2捕获能力[51]。Santiago等[52]将氨基酸离子液体（aa-ILs）封装在多孔碳胶囊中得到aa-ENIL材料，得到接近0.035 g CO2/g IL的吸附能力，该数据较纯离子液体吸附有显著提高（图7b）。
图7 （a） [DBUH+][Im-]捕获CO2机理及示意图，（b） aa-ENIL捕获CO2示意图

Fig.7 （a） Mechanism and schematic diagram of CO2 capture by [DBUH+][Im-] CO2，（b） Schematic diagram of CO2 capture by aa-ENIL

将ILs固定在聚合物载体上可合成聚离子液体（PILs），PILs兼具离子液体特性和聚合物的机械性能[53]。一些研究结果表明，与相应的ILs相比，PILs通常具有更高的CO2吸附能力[54]。根据阴、阳离子和聚合物的链接方式，PILs可分为聚阳离子型、聚阴离子型和两性聚合物型；根据聚合物链段中离子固定的位置，PILs可分为主链离子型和支链离子型（图8）。Tang等[55]以1-甲基咪唑和1-（氯甲基）-4-乙基苯为原料，制备得[VBMI][Cl]，将2，2'-偶氮（2-甲基丙腈）加入[VBMI][Cl]乙腈溶液中，得到聚[1-（对乙烯基苄基）-3-甲基咪唑氯]（P（[VBMI][Cl]）） （图9a），再采用超临界发泡技术，获得具有不同孔型结构的多孔P（[VBMI][Cl]）材料。测试结果表明，多孔P（[VBMI][Cl]）材料的非晶态结构更致密，热稳定性高，CO2吸附量最高可达2.36 mmol/g PIL。Sandra等[54]测试了共混聚合物对气体吸收性能的影响，实验中，两种不同的多元醇（PC和PG）与离子液体（咪唑和磷）聚合后再按照不同比例混合（图9b），结果显示，与文献报道的其他聚离子液体相比，所有得到的聚离子液体共混物都有更高的CO2吸附能力，在303.15 K，10 bar条件下，PILPC95-PG5-Bmim共混物吸附效果最好（1.66 mmol CO2/g PIL）。
图8 聚离子液体分类

Fig.8 Classification of poly ionic liquids

图9 （a） 多孔P（[VBMI][Cl]）合成示意图[55]，（b） 用不同多元醇与离子液体聚合制备共混物

Fig.9 （a） Schematic diagram of the synthesis of porous P （[VBMI][Cl]）[55]，（b） Preparation of blends by polymerization of different polyols with ionic liquids

2.4 碳基吸附剂

碳基吸附剂以其高比表面积、高孔隙度和稳定的化学性质，在CO2捕集方面有广泛的应用（图10）[56]。碳基吸附剂的制备方法包括直接碳化、碳化后活化、溶胶-凝胶法和纳米铸造等，一般来说，含有大量挥发性有机化合物、高碳含量和低灰分含量的原料是多孔碳制备的较好选择[7,10]。碳基材料对CO2的吸附分为物理吸附和化学吸附。在物理吸附过程中，吸附剂与气体之间的相互作用力为弱范德华力，所以一般会对合成后的产物进行活化，以增大吸附剂的表面积和孔隙度，强化其捕获能力[1]。Vorokhta等[57]以糠醇为前驱体，采用SiO2纳米颗粒作为硬模板制备三维有序微介孔碳（3DOmm），并对其进行物理活化，3DOmm在372 K （100 kPa）和298 K （2 MPa）条件下分别表现出3.19和11.18 mmol/g的吸附能力，且具有良好的CO2/N2选择性（图11a）。Ma等[58]使用K2CO3对碳基材料进行活化，得到了具有丰富氮基团的多孔碳（图11b），最佳多孔碳纤维样品在298和273 K条件下的CO2吸附量分别高达3.83和5.84 mmol/g，并表现出快速的吸附速率和高CO2/N2选择性。
图10 用于CO2捕获的碳基材料[56]

Fig.10 Carbon-based materials for CO2 capture[56]

图11 （a） 三维有序微介孔碳（3DOmm）制备流程[57]，（b） 以K2CO3为活化剂制备富氮多孔碳流程

Fig.11 （a） Process for the preparation of three-dimensionally ordered micro mesoporous carbon （3DOmm）[57]，（b） Process for the preparation of nitrogen-rich porous carbon using K2CO3 as an activator

化学吸附一般是指将多孔碳材料胺功能化，利用CO2具有酸性的特点使其与胺官能团发生酸碱相互作用。胺功能化多孔碳吸附剂的制备方法有两类：胺浸渍和胺接枝[59-60]。胺浸渍是指将胺类物质以非化学成键的方式装载到多孔载体的表面或内部，Wang等[61]以四乙基戊二胺（TEPA）浸渍分层介孔碳（HMC）作为吸附剂，在水蒸气含量0~15%范围内，CO2吸附量和TEPA效率随着水蒸气含量增加而增加，在333 K、CO2/N2（V/V=15∶85）+15 vol%H2O条件下，CO2吸附量最高，达1.67 mmol/g （图12a）。胺浸渍以其合成路线简单、合成条件温和，在实际应用中有较大优势。胺接枝是将胺类以共价键的形式固定到多孔载体上。Mirtha等用N1-（3-三甲氧基甲硅烷基丙基）二乙烯三胺（DETASi）对三种多壁碳纳米管（CNT-SD_DETSi、CNT-OH_DETSi和CNT-COOH_DETSi）进行接枝改性，在308 K、CO2/N2（V/V=20∶80）条件下，CNT-SD_DETSi表现出最大的CO2吸附量（0.43 mmol/g），CNT-COOH_DETSi其次（0.33 mmol/g），CNT-OH_DETSi吸附量最低（0.17 mmol/g） （图12b），研究认为三种多壁碳纳米管吸附性能的差异来源于DETSi基团的数量差异和1.5~6 nm范围内孔体积大小不同，CNT-SD_DETSi基团数量和孔体积最大，CNT-OH_DETSi最低。胺接枝碳吸附材料虽制备过程复杂，但效果稳定，热稳定性好。
图12 （a） 以TEPA浸渍分层介孔碳捕获CO2[61]，（b） 胺接枝碳纳米管合成示意图[62]

Fig.12 （a） Impregnation of layered mesoporous carbon with TEPA to capture CO2[61]，（b） Schematic of the synthesis of amine-grafted carbon nanotubes[62]

根据合成碳材料的前驱体的不同，可以将碳基吸附剂进行有效分类（表3）。
表3 不同前驱体合成碳材料对于CO2捕获性能

Table 3 CO2 capture performance of synthesized carbon materials with different precursors

Different precursors Exemple BET （m2/g） Temperature （K） Pressure （bar） Capacity （mmol/g） Qst （kJ/mol） Ref
Biomass-derived porous carbons ANKO1 1894 273（298） 1 7.18（4.81） / 63
SWC-derived AC 1085 298 1 2.63 14 64
ACPS600-K-4 2437 273 1 5.79 / 65
Synthetic resin-derived porous carbons NSOPC-1 1292 273（298） 1 7.04（3.88） / 66
UFC-600-3 1686 273（298） 1 5.42（3.53） 45 67
PPSC-650-2 1094 273（298） 1 3.64（5.13） 35~41 68
Synthetic polymer-derived porous carbons KOH-700 2155 273 1 6.23 26.5~29.2 69
K2CO3-800 1143 273 1 5.47 37.1 69
3DOmm 1462 273（298） 1 （20） 3.19（11.18） 18.9~29.2 57
Biopolymer-derived porous carbons LBAU5 1134 273 / 4.06 / 70
LHPC-700 1788 273（298） 1 8.2（4.8） 28.6 71
CHNH1∶2 2906 273 1 7.38 46.87 72
Graphene-derived porous carbons CuBTC/GO 1760 273（298） 1 9.59（5.33） 25.3~25.6 73
a-RGO-950 1316 273 1 3.36 27.42 74
T-GU-700-6 1032 273（298） 1 3.24（2.40） 12~33 75
Fossil resources-derived porous carbons IANC 2186 298 1 （35） 7.15（29.29） / 76
A-rNPC 2580 296 30 26.0 29.0 77
ARA 1590 298 4 7.56 23.0 78

2.5 金属有机框架

金属有机框架（MOF）是一种具有超高比表面积、由金属离子/簇和有机连接体通过配位键连接构建而成的多孔晶体材料，因其孔径和性能的高度可调性，在气体分离领域具有广阔的应用潜力[16]。MOF的孔径和通道可达纳米级和埃米级，在气体吸附过程中，CO2被孔隙和通道中的其他分子吸收并储存起来[79]。MOF的吸附能力随着环境温度或环境压力改变而发生变化，为构建高效MOF吸附剂，常用以下四种可行策略：开放金属位点（OMS）、提高孔隙率、优化框架结构和进行官能团修饰[16,80]。
带有部分正电荷的不饱和金属位点对四极矩和极化率较大的CO2有很好的亲和力，这些金属位点（OMS）通常作为Lewis酸位点，框架的固有刚性使OMS在整个吸附-解吸过程中更容易接近[80-81]。Kokcam-Demir等[81]发现，在低压状态下使用OMS-MOF捕获CO2，CO2分子会优先吸附在OMS上。Tao等[82]利用种子辅助水热二次合成制备纳米级锆基金属有机框架（MIP-202）颗粒（图13a），在298 K和1 bar下，MIP-202颗粒的CO2/N2的吸收比达到65.2。Gaikwad等[83]采用微波辐照法制备了一系列不同金属配比的双金属UTSA-16（Zn，X；X=Mg，Mn，Cu）金属有机骨架（图13b），实验测定发现，在Zn∶X=7∶2条件下合成的材料对CO2的吸附能力均提高了9%~18%，CO2/N2选择性也有所提高。
图13 （a） MIP-202种子、MIP-202-p1和MIP-202-p2制备示意图[82]，（b） 双金属UTSA-16金属有机骨架合成示意图[83]

Fig.13 （a） Schematic diagram of the preparation of MIP-202 seed，MIP-202-p1[82]，and MIP-202-p2，（b） Schematic diagram of the synthesis of bimetallic UTSA-16 metal organic framework[83]

MOF的吸附性能也可以通过附加在MOF上的胺官能团或含氮基团来提高，通过在孔隙结构中加入胺官能团可以产生极性位点，从而与CO2发生相互作用[84]。Jun等[85]将0.3、0.5、1.0、2.0和2.5 mmol的四乙基二苯胺（TEPA）溶于甲苯（40 mL）中制备TEPA溶液以对锆基金属有机框架（MOF-808）进行改性（图14a），结果显示MOF-808-TEPA（2.0）的CO2吸附量最高（298 K、15 kPa时吸附量为0.76 mmol/g），约为原始MOF-808吸附量的2.5倍，CO2/N2选择性最高（298 K、15 kPa时选择性为846），约为原始MOF-808吸附量的11倍，分析认为是因为TEPA碱度较低，且负载了氨基，导致较高的CO2吸附量。
图14 （a） 用TEPA合成和修饰MOF-808，（b） 三种MOF异构体结构图

Fig.14 （a） Synthesis and modification of MOF-808 with TEPA，（b） Structures of the three MOF isomers

MOF材料以其优异的结构稳定性和结构可设计性在应用上一直备受关注。纯MOFs对CO2的吸附是基于范德华力的物理吸附，CO2动力学直径约为0.33 nm[86]，所以适当控制微孔的大小可以有效增强CO2分子与骨架的相互作用。一般情况下，很难精确控制孔径在较小范围内，Zhang等[87]用CdⅡ、对苯二甲酸（H2tp）和3，6-二（吡啶-4-基）-1，2，4，5-四嗪（dptz）以相同的化学量比构建三种MOF异构体（图14b），其中1和2为框架-链式异构体，2和3为框架拓扑异构体，1含有二重互穿网络（pcu拓扑）和一维超微孔，3包含具有15 Å的更大孔隙的kag网络。实验证明，框架异构化是一种可行的调整MOF孔径的方法，所以合适的MOF框架结构对CO2捕获也至关重要，功能化的孔环境使特定气体分子的选择性容纳成为可能[88]。
表4为部分MOFs关于CO2捕获的数据。
表4 部分MOFs对于CO2捕获性能

Table 4 Performance of some MOFs for CO2 capture

MOFs BET （m2/g） Temperature （K） Pressure （bar） Capacity （mmol/g） CO2/N2 selectivity Qst （kJ/mol） Ref
Co-3-OADA / 273 1 2.02 48 34 89
Zn-3-OADA / 273 1 1.91 43 25 89
UTSA-16（Zn） 786.61 298 1 4.71 118 / 90
UTSA-16（Zn，Mn） 810.43 298（333） 1 5.28（3.76） 135（95） / 83
UTSA-16（Zn，Mg） 825.19 298（333） 1 5.56（3.95） 141（97） / 83
UTSA-16（Zn，Cu） 817.40 298（333） 1 5.13（3.60） 131（92） / 83
PAN/MIL-101 2657.7 343.96 1 2.48 38 31.88 91
NBC@MOF-99 553.4 298~303 1 2.9 / / 92
MOF-74（Ni） 1129 273（298） 1 8.29（6.61） 49 27~52 93
Cu-OATA / 273（298） 1 5.61（2.02） 43.8 25 94
CUT 802 273 1 2.53 34.2 30.15 95
Zr-MOF-808/NH2 2021 298 9 8.39 / 17.36 96
Ni（3-ain）2 790.1 298 1 3.73 26.3 31.8 97
CuBDC-NO2 523 298 1 2.40 28 20.2 98
MC-HUN-4 523 298 1 1.90 13.02 / 99
NaX 17.39 273 1.13 4.34 89.2 37.9 100
NUM-3a 2111.2 273（298） 1 4.56（3.35） 82.8（64.8） / 101

2.6 共价有机框架

共价有机框架（COFs）是一种新兴的多孔晶体材料，由C、O、N、B等元素通过强共价键连接而成。Yaghi团队[102-103]在2005年第一次合成COFs，2009年第一次将COFs应用于CO2捕获方面的研究（图15）。COFs的合成方法主要有溶剂热合成、离子热合成、微波合成和机械合成等。迄今为止，大多COFs由二维的构建块通过π堆叠组合在一起，少部分由三维框架构成[104]，具有密度低、孔隙率大、比表面积高等特点。COFs对CO2的吸附机理分为物理吸附和化学吸附两大类，根据CO2分子的固有性质，不同的COFs拓扑结构会导致不同的物理吸附性能[105]，COFs的孔径高度可调，将其孔径控制在接近CO2分子动力学半径（3.3 Å）可获得良好的捕获效果[106]。在COFs的孔道中引入官能团能进一步提高COFs捕获CO2吸附能力，官能团不仅可以减小孔径，还可以与CO2发生反应，以共价键的方式将CO2固定下来[17]。根据构建COFs的结构单元的不同，主要将COFs分为三类：硼基COFs、三嗪基COFs（CTFs）与胺基COFs。
图15 COF简要发展过程

Fig.15 COF brief development process

硼基COFs是最早发现的共价有机骨架材料，Yaghi团队[103]将7种COFs分为具有一维微孔的二维结构、具有一维介孔的二维结构和具有三维介孔的三维结构这三类，分别研究其在低压和高压下的CO2吸附性能，结果表明，低压下CO2吸附能力主要取决于COFs的孔径大小，高压下CO2吸收能力主要由材料的孔隙体积和SABET（表面积）决定。硼基COFs中存在可逆的B—O键，会导致硼基COFs在大气湿度下水解，因此可通过引入特定的官能团，改善其水稳定性，掺杂不同的金属原子也可显著提高CO2捕获性能[17]。
CTFs常见的合成方法是在熔融ZnCl2存在下，通过芳香族氰化物的动态环化三聚反应合成。三嗪环与CO2分子之间的偶极-偶极相互作用提高了骨架与CO2之间的亲和力[17]。Chen等[107]发现，用1，3，6，8-四（4-氰苯）芘构建三嗪骨架，在500 ℃下与无水ZnCl2反应生成的目标产物Py-CTF-500对CO2的选择性（CO2/N2）达45.3（图16a）。Zhu等[108]通过离子热聚合合成了具有不同阴离子（Cl-和SCN-）的离子共价三嗪框架（ICTF），在1 bar和298 K条件下，ICTF对CO2分离能力为2.75 mmol/g（图16b）。与硼基COFs相比，CTFs结晶度和结构完整性较差，但具有优异的热稳定性和化学稳定性，可以在重复再生时保持稳定的CO2捕获量[109]。
图16 （a） 1，3，6，8-四（4-氰苯）芘构建CTFs结构示意图[107]，（b）微孔ICTF-Cl、ICTF-SCN和ICTF-Cl- SCN合成示意图，（c） COF （Me3TFB-（NH2）2BD）合成与CO2捕集示意图[111]

Fig.16 （a） Schematic diagram of CTFs constructed from 1，3，6，8-tetrakis（4-cyanobenzene）pyrene[107]，（b） Schematic diagram of the synthesis of microporous ICTF-Cl，ICTF-SCN，and ICTF-Cl- SCN，（c） Schematic of the synthesis of COF （Me3TFB-（NH2）2BD） and CO2 capture by COF[111]

亚胺基COFs是一类由席夫碱制备得到的COF材料，通常是由氨基（—NH2）和醛基（—CHO）发生脱水缩合反应生成强亚胺基（—C ̿        H），具有良好的热稳定性和化学稳定性[110]。Dautzenberg等[111]通过动态交换连接剂制备得到的COF（Me3TFB-（NH2）2BD） （Me3TFB：2，4，6-三甲基苯-1，3，5-三乙醛，（NH2）2BD∶3，3-二氨基联苯胺） （图16c）在1 bar、273 K和295 K下对CO2的吸附量分别为1.12±0.26和0.72±0.07 mmol/g。
表5为部分COFs关于CO2捕获的数据。
表5 部分COFs对于CO2捕获性能

Table 5 Performance of some COFs for CO2 capture

COFs BET （m2/g） Temperature （K） Pore size （nm） Capacity （mmol/g） CO2/N2 selectivity Qst （kJ/mol） Ref
JUC-610 2072 273（298） 1.5 2.26（1.44） / 21.9 112
Cu-anPPCs 2043 273（298） 0.5 7.6 / 40.6 113
UPC-6Li 5974.80 298 16.37 8.95 308 38.75 114
UPC-6Na 5608.74 298 17.31 7.60 235 34.82 114
UPC-6K 3759.12 298 14.67 5.67 255 37.98 114
Me3TFB-（NH2）2BD 1624 273（295） 2.7 1.12（0.72） 47 / 111
TpPa-NO2 398 273（298） 1.5 2.38（1.83） 125.23~34.87 36.26 115
COF-300-SO3H 428.42 298 5.29 6.23 393 39.71 116
TMFPT-COF 1407 273 1.86 1.54 19 34.1 117
TAPT-BP2+-COF 473.5 298 3.3 1.60 51.35 34.21 118
3D-TPB-COF-HQ 842 273 0.52 3.77 40 23.5 119
TBICOF 1424 273（298） 2.5 2.78（1.58） 40.3 42.8 120
CTF-TPM 2002 273（298） 1.13 4.84（2.87） / 26.9 121
NH2-UiO-66@Br-COF 966 273 2.5 3.86 24.08 117.2 122
Py-CTF-400 1515 298 1.24（1.77） 4.24 76.1 25.9 107
Py-CTF-500 1564 298 1.24（2.20） 3.49 61.5 23.1 107
TPP-CTF 1390 273（298） 1.11 9.77（5.02） 19 / 123
3D-ceq-COF 1148.6 273（298） 1.0（1.6） 3.69（2.02） 27.5 50.0 124
JUC-568 1433 273（298） 1.92 3.96（3.27） / / 125

2.7 金属氧化物材料

碱金属氧化物和碱土金属氧化物都能对CO2进行化学吸收，反应化学式总结如下：

M x O + C O 2 ⇌ M x C O 3

正向反应为CO2吸附过程，该反应在低温下放热进行，吸附剂被碳化，平衡时CO2分压低于0.001 bar[18]，故CO2吸附进行得较为完全，逆反应为吸附剂再生过程，在高温条件下发生，逆反应获得的纯CO2可进一步压缩储存或利用。由于正反应和逆反应温差较大，因此在使用金属氧化物捕获CO2时一般设置两个连续反应器（碳化炉和煅烧炉）[126]，以实现循环吸附（图17）。考虑到实际应用的经济性与可行性，常用的金属氧化物有CaO、MgO。
图17 固体吸附剂在相互连接的反应器中捕获燃烧后CO2的示意图[18]

Fig.17 Schematic diagram of solid adsorbents capturing post-combustion CO2 in interconnected reactors[18]

CaO基吸附剂具有CO2吸附能力强、碳化和再生速度快、储量丰富等优点，与CO2反应生成CaCO3，适用于发电厂燃烧后和水泥生产工业过程中的CO2捕获[127]，已有多个研究团队在中试规模下验证了CaO吸附剂捕获CO2的效果[128]。但在实践过程中，吸附剂表面通常会形成一层熔点较低的碳酸盐，导致吸附剂烧结，影响其循环使用效果，所以需要对CaO吸附剂进行改性[129]，以维持其表面积和可达孔隙体积。可用的改善措施包括优化反应操作条件和制备高性能合成吸附剂。研究人员发现，反应器中蒸汽的存在可以提高煅烧速率和改善吸附剂的孔隙度，但会影响碳化速率和质量传递，因此在反应器中需要维持合适的蒸气含量[130-131]。对于失活的吸附剂，可以选择适宜的方法激活。Sun等[132]比较了三种活化方法（水化、同时水化/浸渍和酸化）对CaO/MgO（CaO/MgO=75 wt%/25 wt%）吸附剂循环使用性能的影响（图18a），结果发现，采用水化或水化/浸渍重新激活时，材料展现出良好的循环稳定性，在经过40个循环后，CO2吸收量分别为49.7和52.8 mol%，且单水化再激活的吸附剂表现出0.390 g/g的高吸附容量，这是因为水化会形成更多的裂缝和通道，能有效恢复废吸附剂的循环捕集性能。实验还发现，在废吸附剂多次酸化再活化的过程中引入过滤程序，可有效去除对吸附剂影响较大的CaSO4。将CaO与惰性耐火材料混合可以从根本上改善CaO吸附剂的循环使用性能，Hashemi等[133]使用溶液燃烧合成法研究了Zr稳定剂比例和燃料-金属氧化物比例对CO2捕集性能的影响（图18b），结果显示20 wt%CaZrO3对维持材料循环稳定性效果最佳，在温和条件下经过50次循环实验，吸附剂依然能表现出8.8 mmol/g的吸附量。此外，还可使用溶胶-凝胶法制备CaO吸附剂，该方法可轻松控制吸附剂的粒径和表面积，并维持较好的循环稳定性[134]，还可用稳定的氧化物包覆CaO形成核-壳结构吸附剂，有效减缓吸附剂烧结[135]。
图18 （a） 废吸附剂再活化过程[132]，（b） 锆稳定氧化钙吸附剂合成及吸附剂循环捕获能力测定[133]，（c） MgO-Na2CO3-KNO3吸附剂捕获CO2[139]

Fig.18 （a） Reactivation process of spent adsorbent[132]，（b） Synthesis of zirconium-stabilized calcium oxide adsorbent and determination of adsorbent cyclic capture capacity[133]，（c） CO2 capture by MgO-Na2CO3-KNO3 adsorbent[139]

使用MgO基金属氧化物捕获CO2的反应一般在200~400 ℃的温度范围内进行，反应生成MgCO3，实际可获得的CO2吸附量与理论值存在较大差距的原因是生成的MgCO3会覆盖在材料表面，阻碍了吸附的进一步发生，因此，在MgO基吸附剂合成过程中，常采用物理或化学改性的方法以提高其CO2吸附能力，如制备大比表面积的纳米结构MgO，或在材料中引入掺杂剂以促进吸附材料与CO2反应[136]。Guo等[137]以MgCl2 ·6H2O为Mg前驱体，分别采用固相化学反应法（SR）、直接煅烧法（DC）、直接沉淀法（DP）和溶胶-凝胶法（SG）制备了MgO吸附剂，研究发现，采用固相化学反应法制备的吸附剂结构性能良好（比表面积达100.03 m2/g，总孔体积达0.67 cm3/g），表面形貌良好，且具有优异的CO2吸附能力（2.39 mmol/g），固相化学反应法为材料提供了丰富的表面碱性活性位点，这增强了吸附剂对CO2的吸收。碱金属硝酸盐常用作掺杂剂加入MgO基材料中，在CO2捕获过程中，熔融的碱金属硝酸盐能防止材料表面固体MgCO3的形成，最常用的硝酸盐是NaNO3和KNO3，碱金属碳酸盐也能起到增强MgO吸附剂性能的效果[138]。Xiao等[139]发现MgO-Na2CO3-KNO3吸附剂在高压条件下具有快速吸附动力学和高捕获力，材料中，Na2CO3在初始快速吸附速率中起着至关重要的作用，KNO3对MgO转化有较好的促进效果，在400 ℃，2 MPa下吸附30次后，MgO转化率从0.78提高到0.86，表现出良好的循环稳定性（图18c）。

2.8 生物聚合物纳米复合材料

生物聚合物纳米复合材料是一类由天然生物聚合物和纳米填料组成，具有可再生和可持续特性的CO2捕获材料[140]。已研究的生物聚合物包括纤维素、海藻酸盐、壳聚糖、淀粉、大豆和玉米蛋白等[141]，这些生物聚合物有独特的官能团（如氨基和羟基），能与CO2分子发生作用，纳米填料的加入是为了改善吸附材料的机械、热学、吸附性能，增加材料表面积和孔隙度，从而提高CO2捕获量[142]，常用的纳米填料有石墨烯、碳纳米管、金属纳米颗粒、MOF等。
纤维素是一种使用频率较高的生物聚合物，工业上常对纤维素加工以生成纤维素衍生物，在合成CO2捕获材料的过程中，还需要对纤维素或纤维素衍生物进行化学改性，使其适用于CO2捕获场景[143]。主要改性方法包括加入纳米颗粒或接枝官能团。Zhang等[144]将一种锆基MOF（UiO-66-NH2）纳米颗粒通过真空过滤操作，使其包裹在致密的纤维素纳米原纤维（CNF-COOH）中（图19a），UiO-66-NH2与CNF-COOH之间存在酸碱相互作用和静电力作用，因此形成了理想的界面形态，结果显示，分散的纳米颗粒被纤维素基质的羧基基团交联。UiO-66-NH2的多孔结构为CO2提供了快速的输运通道，并具有较高的CO2选择性。在开发CO2吸附剂的过程中，纳米纤维素气凝胶的化学功能化也被研究以提高对二氧化碳的选择性。Othaman等[145]分别用3-（氨丙基）三甲氧基硅烷（APTMS）、3-（2-氨基乙基氨基）丙基二甲氧基甲基硅烷（AEAPDMS）和N-（3-三甲氧基硅丙基）二乙烯三胺（DET3）接枝改性纳米纤维素（图19b），结果表明，经最短链氨基硅烷修饰的APTMS-NCC气凝胶的CO2吸附剂吸收率（0.20 mmol/g）高于未改性的NCC气凝胶（0.10 mmol/g），同时，中间链长氨基硅烷接枝的NCC气凝胶AEAPDMS-NCC气凝胶具有最高的比表面积和热稳定性，因此，使用低链或中链长度或适宜氮含量的氨基硅烷对NCC进行改性，可以改善气凝胶的孔隙形成、表面积和CO2吸附特性。
图19 （a） UiO-66-NH2与CNF-COOH结合生成复合膜用于CO2/N2分离[144]，（b） NCC及氨基-NCC气凝胶制备与应用[145]，（c） ZIF-8/PES复合膜结构示意图

Fig.19 （a） UiO-66-NH2 combined with CNF-COOH to generate composite membranes for CO2/N2 separation[144]，（b） Preparation and application of NCC and amino-NCC aerogels[145]，（c） Schematic structure of ZIF-8/PES composite membrane

海藻酸盐和壳聚糖是两种不同的天然生物聚合物。海藻酸盐含有丰富的羟基和羧基，这些官能团能与互补基团（如胺基）或钙离子发生化学反应[146]，壳聚糖是甲壳素去乙酰化后的生物聚合物，是一类由随机分布的N-乙酰基和脱乙酰基葡萄糖胺单元组成的线性多糖[147]。海藻酸盐与壳聚糖常一起使用，利用它们互补的静电特性以得到稳定性和耐久性更高的吸附材料。Zhang等[148]将金属离子交联的聚乙烯醇（PVA）和海藻酸钠（SA）复合水凝胶浸渍在不同的聚合物中空纤维上，通过种子水热结晶转化成坚硬致密的MOF膜（图19c），最终制得ZIF-8/PES复合膜。在温和条件下，SA容易与不同的多价金属离子交联形成水凝胶，并且可以作为丰富的金属位点在基底上合成MOF晶体，将PVA加入SA形成复合材料，可以大大增加螯合金属离子的密度和水凝胶的黏附性，解决了水凝胶基质上脱落的问题。复合膜表现出优异的气体分离性能，H2/CO2分离系数高达29，适用于燃烧前捕获CO2。

3 捕获材料的比较与展望

表6总结了上面介绍的8种CO2捕获材料的优缺点和适用性。
表6 各类CO2捕获材料的优缺点

Table 6 Advantages and disadvantages of various kinds of CO2 capture materials

Materials Advantages Disadvantages Applicability
Amine solution absorbents High solubility and selectivity；high mass transfer coefficient；stable adsorption in humid environment；the techology is mature High volatility；high cost；high energy consumption；causing corrosion to equipment Suitable for most power plants and factories with high CO2 emission concentrations at present
ILs Negligible vapor pressure；high thermal stability；relatively non flammable；strong designability High viscosity；poor permeability；difficult exposure of active sites Suitable for environments with high flue gas temperatures
Carbon-based adsorbents High specific surface area；adjustable structure；high thermal stability；low adsorption heat；less affected adsorption performance under humid conditions Low adsorption capacity；poor adsorption selectivity；high energy consumption during the regeneration process Can function in low or medium low pressure environments
Zeolites based
adsorbents		 High specific surface area；adjustable pore design；high recyclability at low temperatures；low cost Low gas selectivity；significant reduction in CO2 adsorption at high temperatures；poor adsorption performance under humid conditions；average regeneration performance Can function under harsh conditions，such as low temperature environments；suitable for rapid adsorption
MOFs High specific surface area；high CO2 selectivity；large pore volume；high porosity Poor CO2 adsorption capacity under low pressure conditions；unstable adsorption under humid conditions；poor stability Suitable for stable environments and appropriately high ambient temperatures
COFs High specific surface area；high thermal and chemical stability；strong functional group adaptability；high CO2 selectivity Avergy regeneration performance；poor adsorption performance under humid conditions Suitable for CO2 capture under high pressure；maintaining stability in acidic，alkaline or high-temperature environments
Metal oxide
sorbents		 Superior adsorption effect；low cost of raw materials；synergistic effects can be produced when mixed with other materials High difficulty of regeneration；average effect of recycling；average thermal stability Further clarification is needed
Biopolymeric
nanocomposites		 Polymer raw materials are easily available；low energy consumption；strong structural designability；high specific surface area and porosity Avergy stability and durability；high costs of nanomaterials；poor selectivity Further clarification is needed
目前使用胺共混物吸收CO2面临的最大问题是其吸收和解吸过程非常困难，常用的吸收/解吸设备体积大、效率低且能耗高，亟需开发一种可降低该工艺能量需求的方法，如灵活利用CO2吸收过程中产生的反应热，使用微通道等小型装置在胺共混物中吸收CO2等[22]。此外，胺降解、胺挥发等问题也值得人们去关注和解决[149]。
沸石的合成原材料易得且价格便宜，但合成过程能耗极高，应该进一步开发经济的合成工艺。沸石通常是亲水的，从潮湿环境或烟气中捕获CO2就变得相当有挑战性。还需要明确沸石捕获CO2的机理，将沸石材料应用于不同场景并进行动力学分析、生命周期分析等，以促进沸石吸附剂的工业开发。
想实现ILs在CCS领域的大规模工业应用，重点放在功能化ILs的开发和研究上，包括：功能化ILs捕获CO2机理的深入研究、提高功能化ILs在不同烟气环境下的适用性、开发易于解吸的低成本功能化ILs等[49]。另外，聚离子液体材料和功能离子液体膜材料在CO2捕获方面也有较大潜力[53]。
碳基吸附剂具有相当大的工业应用潜力，只是目前仍处于初步阶段。未来的发展可集中在以下几个方面：进一步提高碳基材料的吸附能力，研发生产成本和再生热低、疏水性和可再生性好的吸附材料，开发新型复合材料，如金属氢氧化物浸渍碳基吸附剂、碳纳米复合材料等[150-151]。
对于MOFs材料，提高其化学稳定性和热稳定性十分必要。MOFs化学稳定性差主要是因为中心金属离子容易与环境物质发生化学反应，可以考虑开发更具惰性中心金属离子的MOFs[152]，如何增加金属离子与有机配体的结合强度和提高金属节点上连接的接头数量是提高热稳定性的关键[153]。为了增强CO2在二元混合物（CO2/N2）竞争吸附环境下的优势，有必要开发高选择性MOFs材料，使其在大规模操作时更具经济优势[154]。MOFs还常用作混合基膜填料，故其在合成用于气体分离的聚合物膜方面具有广泛探索空间[155]。
COFs材料正吸引着越来越多科研工作者的注意。限制COFs在CO2捕获领域大规模应用的原因之一是其合成单体价贵和制造工艺消耗大，使用生物质或其他便宜的前体，以及采用低温制造工艺和低成本溶剂有可能降低合成成本[105]。还需要进一步提高COFs在低CO2压力下的工作性能，解决COFs和其他气体之间竞争吸附的问题。三维COFs研究较少但CO2捕获性能更佳，也应重点关注这一类COFs的发展。
金属氧化物材料和生物聚合物纳米复合材料都是相对来说较新的CO2捕获材料，目前在CO2捕获领域没有占据很大的份额，所以还有很大的发展空间。
CCS技术中包括对CO2的储存，即将从烟道气中捕集到的CO2运输、压缩并最终以超临界或液化形式注入合适深度的地下层中，目前，全球范围内CO2地质封存工程已经得到小规模实施，未来将继续扩大其储存规模并提高CO2储存安全性[10]。另外，就笔者所见，除了利用捕获材料将CO2固定下来，随着化石能源的日渐枯竭，能否高效、经济地将CO2转化为可继续利用的化学物质或将成为判断CO2捕获材料价值高低的重要标准，目前已经有相当一部分材料投入相关研究中，如ILs、COFs、MOFs等，主要是将CO2还原为碳氢化合物来合成燃料或者化学品，以实现CO2的再利用。

4 总结

CCS对于经济发展和生态保护具有重要意义，是实现碳中和的必经之路。本文从CO2排放现状及其危害出发，综述了当前应用较为广泛的CO2捕获材料，包括固体吸附剂和液体吸附剂，以及多相吸附剂，如聚离子液体捕获材料。文章还对各种CO2捕获材料进行优缺点分析，指出各类材料在未来的重点发展方向。
通过分析和总结，不难发现CO2捕获技术已得到很大发展，但现有的技术选择都存在一些缺点，这些缺点限制了材料大规模的工业应用。此外，面对大气中CO2浓度超高这一问题，持续存在的政治和经济障碍、知识差距和经验缺乏等问题，阻碍了CCS的快速发展和实施。因此，仍然需要致力解决现有技术难题、探索新的CO2捕获技术，进行大规模开发和部署，以解决这一环境问题可能会对地球生态系统健康构成的生存挑战。

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