论文标题：Integrated direct air CO₂ capture and utilization via in-situ catalytic conversion to fuels and chemicals using dual functional materials: Recent progresses and perspectives

期刊：Frontiers in Energy

作者：Yiran Zhang, Jiaqi Feng, Linjia Li, Shu Zhao, Chunfei Wu, Zhen Huang, He Lin

发表时间：10 Dec 2024

DOI：10.1007/s11708-025-0977-5

微信链接：点击此处阅读微信文章

文章简介

文章探讨了当前集成式直接空气捕集与原位转化（IDACU）的技术路线，包括通过固体双功能材料（DFMs）、液体吸收和热催化以及非热转化方法的IDACU技术路线，涵盖了这些技术路线的基本原理、反应条件、主要产物、材料类型以及存在的问题和挑战。此外，还讨论了基于固体DFMs的IDACU技术最新进展，特别关注了烟气碳捕集和直接空气捕获（DAC）之间材料特性的差异。

研究背景及意义

全球变暖问题日益严峻，温室气体排放，尤其是二氧化碳，引发了严重的环境问题，威胁人类生存。DAC技术成为缓解全球变暖的潜在碳负性手段，捕获的二氧化碳可用于多种途径，其中催化转化为高附加值产品最具前景。但传统DAC技术及CO2利用涉及压缩、存储和运输等多个步骤，过程复杂且能耗高。文章提出的IDACU系统，通过将DAC与原位催化转化相结合，能降低能耗、简化流程。该系统利用双功能材料，可直接将捕获的二氧化碳转化为多种产品，是极具潜力的碳中和技术，对减少碳排放、存储可再生能源意义重大。此外，文章对 IDACU技术路线和材料的研究，为该领域发展提供了参考，有助于推动其从理论研究走向实际应用。

研究内容及结论

一、IDACU 技术路线

固体基双功能材料热催化：固基双功能材料由吸附剂、催化剂等组成，文章探讨了其工作原理和反应条件，指出这些材料在CO₂捕集和转化过程中的表现。固体DFMs通常由吸附剂和催化剂集成在同一固体材料中，能够在一个反应器中完成CO₂的捕集和转化，避免了分离和再生的复杂过程。

图1 IDACU 在固体基DFMs上的反应过程示意图

液体吸附剂的热催化：液体吸附剂捕获二氧化碳后经热催化转化，分为非均相和均相催化系统。文章分析了非均相和均相催化系统的优缺点。液体吸附剂如胺溶液和氢氧化物溶液能够有效捕集CO₂，并通过催化转化生成化学品或燃料。尽管同相催化系统在质量传递方面具有优势，但分离催化剂和吸附剂的成本和复杂性仍然是一个挑战。

图2 使用氢氧化物基IL将集成DAC和原位转化为环状碳酸盐的拟议策略

非热转化过程：文章还探讨了新兴的非热转化技术，如光催化和电催化。这些方法能够在较低温度下进行催化反应，消除了对外部热源的依赖，提供了更为高效的CO₂捕集和转化途径。例如，光催化技术结合了CO₂的浓缩和转化过程，展现出良好的连续操作能力，能够在室温下实现高效的催化反应。

图3 提出的CO2 捕获与光催化偶联反应的整合机制

二、DFMs的进展

负载型DFMs：通常采用铝氧化物、锆氧化物等作为支撑材料，以提高吸附剂和催化剂的分散性与热稳定性。然而，负载型DFMs的CO₂捕集能力往往低于理论值，亟需优化材料的组成和结构。

非负载型DFMs：NiCa基DFMs以氢氧化钙为吸附剂，解决了负载型DFMs的部分问题，提高了二氧化碳捕获容量和转化率，还介绍了其可能的反应机理，展示了其在实际应用中的潜力。

图4 在NiCaZr DFMs上提出的集成DAC和原位甲烷化机制

其他类型DFMs：如固体负载胺结合溶液催化剂、膜材料等，这种方法能够提高CO₂的吸附性能，并减少有机胺的浸出问题，各有特点和应用潜力，但也面临有机胺浸出、吸附容量低等挑战。

图5 使用固相负载胺（SSA）和催化剂回收进行CO 2 捕获和转化为甲醇的集成示意图

三、研究总结与展望

文章总结了IDACU技术的潜力和当前面临的挑战，强调了材料创新和系统集成的重要性。为了实现IDACU技术的实际应用，后续研究还需要关注材料的大规模生产、结构设计以及成本和能耗等因素。通过不断的技术进步和跨学科合作，IDACU有望成为应对气候变化的有效工具，为实现碳中和目标贡献力量。

文章信息

Integrated direct air CO₂ capture and utilization via in-situ catalytic conversion to fuels and chemicals using dual functional materials: Recent progresses and perspectives

Yiran Zhang, Jiaqi Feng, Linjia Li, Shu Zhao, Chunfei Wu, Zhen Huang, He Lin*

Abstract:

Direct air capture (DAC) is an emerging technology aimed at mitigating global warming. However, conventional DAC technologies and the subsequent utilization processes are complex and energy-intensive. An integrated system of direct air capture and utilization (IDACU) via in-situ catalytic conversion to fuels and chemicals is a promising approach, although it remains in the early stages of development. This review examines the current technical routes of IDACU, including solid-based dual-functional materials (DFMs) through thermo-catalysis, IDACU using liquid sorbents with thermo-catalysis, and non-thermal conversion methods. It covers the basic principles, reaction conditions, main products, material types, and the existing problems and challenges associated with these technical routes. Additionally, it discusses the recent advancements in solid-based DFMs for IDACU, with particular attention to the differences in material characteristics between carbon capture from flue gases (ICCU) and DAC. While IDACU technology holds significant promise, it still faces numerous challenges, especially in the design of advanced materials.

Keywords:

direct air capture (DAC); integrated carbon capture and utilization (ICCU); integrated direct air CO₂ capture and utilization (IDACU); dual functional materials (DFMs); in-situ catalytic conversion.

Cite this article:

Yiran Zhang, Jiaqi Feng, Linjia Li, Shu Zhao, Chunfei Wu, Zhen Huang, He Lin. Integrated direct air CO2 capture and utilization via in-situ catalytic conversion to fuels and chemicals using dual functional materials: Recent progresses and perspectives. Front. Energy,

https://doi.org/10.1007/s11708-025-0977-5

扫描二维码，阅读原文

作者简介

张毅然，上海交通大学智慧能源创新学院副教授、博士生导师，主要从事直接空气碳捕集、CO₂捕集转化一体化、火焰合成纳米材料研究，研究成果以第一作者/通讯作者发表SCI期刊论文30余篇；主持国家自然科学基金青年基金、国家重点研发计划子课题、中国博士后科学基金特别资助和面上项目、先进内燃动力全国重点实验室开放课题等科研项目；获得中国科协青年人才托举计划、博士研究生国家奖学金、上海市超级博士后激励计划、上海市工程热物理学会优秀博士论文等荣誉奖励。

林赫，上海交通大学长聘教授，博士生导师，上海交通大学新能源动力研究所所长，无锡碳中和动力技术创新中心常务副主任。主要从事燃烧污染物生成机理、发动机排气净化、温室气体排放控制、材料燃烧合成等研究。近年来承担科技部973计划子课题、国家自然科学基金、上海市高端智能装备项目等各类科研课题30余项，获上海市技术发明二等奖（2017）、上海市自然科学二等奖（2009），发表论文100余篇。入选教育部新世纪人才和上海市青年科技启明星。担任中国内燃机学会理事，中国内燃机学会后处理技术分会秘书长、副主任委员，中国汽车工业协会后处理系统分会副理事长。

期刊简介

Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由高等教育出版社、中国工程院和上海交通大学共同主办。致力于发表能源领域具有“前沿性、创新性和交叉性”的原创研究论文、综述、展望、观点、评论、新闻热点等。

Frontiers in Energy已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、INSPEC、Google Scholar、CSCD(中国科学引文数据库)、中国科技核心期刊等数据库收录。截至2025年02月14日，即时影响因子为5.84。

Frontiers in Energy免收版面费，且对于录用的文章提供免费语言润色以保障出版质量。进入外审的稿件（不包括评论、新闻热点等短文），第一轮审稿周期约30天，从审稿到录用平均60天。

更多信息请访问：

http://journal.hep.com.cn/fie（国内免费开放）

https://link.springer.com/journal/11708

联系我们：

FIE@sjtu.edu.cn, (86) 21-62932006

qiaoxy@hep.com.cn, (86) 10-58556482

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、 、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

中国学术前沿期刊网

http://journal.hep.com.cn