麻省理工学院的研究人员使用纳米级过滤膜增加了一个简单的中间步骤，使从空气中去除二氧化碳的过程更加高效。图片来源：Kripa Varanasi、Simon Rufer、Tal Joseph 和 Zara Aamer

麻省理工学院的研究人员通过使用纳滤膜分离关键化学离子，大大提高了效率和稳定性，从而对碳捕获技术进行了强大的改进。

这个巧妙的中间步骤使捕获和放行阶段能够更有效地运行，从而可能将成本降低 20%，并使流程对波动更加宽容。该系统不仅与现有基础设施兼容，而且还可能为更安全、更环保的碳管理化学铺平道路。

高效碳捕获的挑战

从大气中去除二氧化碳被广泛认为是应对气候变化的最重要工具之一。但有一个令人沮丧的问题：最擅长从空气中吸收 CO₂ 的化学物质往往会太紧地粘附在空气中，使其难以稍后释放。另一方面，容易释放 CO₂ 的化合物一开始就不能很好地捕获它。这是一种平衡行为，改进一个部分通常意味着削弱另一个部分。

现在，麻省理工学院的研究人员找到了一种克服这一挑战的聪明方法。通过在碳捕获过程中增加纳米级过滤步骤，他们成功地将效率提高了六倍，同时还将成本降低了至少 20%。这项创新可以使碳去除更加实用和可扩展。

这项工作发表在 ACS Energy Letters 上，来自一个团队，其中包括麻省理工学院的博士生 Simon Rufer、Tal Joseph 和 Zara Aamer 以及机械工程教授 Kripa Varanasi。

从一开始就大胆思考

“在碳捕获方面，我们需要考虑从一开始就考虑规模，因为要产生有意义的影响，需要处理数亿吨的 CO₂，”瓦拉纳西说。“拥有这种心态有助于我们确定关键瓶颈并设计具有真正潜在影响的创新解决方案。这就是我们工作背后的驱动力。

传统系统通常使用一种叫做氢氧化物的化学物质，它会与空气中的二氧化碳迅速反应形成碳酸盐。然后，碳酸盐被送入电化学电池，在那里它与酸反应，变成水并释放出纯 CO₂。其结果是干净、浓缩的二氧化碳流，可以重新用于制造燃料或其他有价值的产品。

然而，有一个重大的障碍。捕获和释放阶段都发生在相同的水基液体中。捕获步骤在充满氢氧根离子的液体中效果最佳，而释放步骤需要该液体主要包含碳酸根离子。

“你可以看到这两个步骤是如何不一致的，”瓦拉纳西说。“这两个系统正在来回循环相同的吸附剂。它们在完全相同的液体上运行。但是，由于他们需要两种不同类型的液体才能以最佳方式运行，因此不可能在最高效的位置运行这两个系统。

麻省理工学院的研究人员在碳捕获系统中添加了纳米级过滤膜，分离执行捕获和释放步骤的离子，并使这两个步骤能够更有效地进行。
图片来源：由研究人员提供;麻省理工学院新闻

智能三部分系统

该团队的解决方案是将系统的两个部分解耦，并在两者之间引入第三个部分。从本质上讲，在第一步中的氢氧化物大部分化学转化为碳酸盐后，特殊的纳滤膜然后根据离子的电荷分离溶液中的离子。碳酸根离子的电荷为 2，而氢氧根离子的电荷为 1。“纳滤能够很好地分离这两者，”Rufer 说。

分离后，氢氧根离子被送回系统的吸收侧，而碳酸盐则被送入电化学释放阶段。这样，系统的两端都可以在其更高效的范围内运行。瓦拉纳西解释说，在电化学释放步骤中，质子被添加到碳酸盐中以转化为二氧化碳和水，但如果氢氧根离子也存在，质子将与这些离子反应，只产生水。

“如果你不分离这些氢氧化物和碳酸盐，”Rufer 说，“系统失败的方式是你会向氢氧化物中添加质子而不是碳酸盐，所以你只会制造水而不是提取二氧化碳。这就是效率损失的地方。使用纳滤来防止这种情况，我们以前不知道有人提出过。

展示现实世界的可行性

Rufer 说，测试表明，纳滤可以以大约 95% 的效率将碳酸盐与氢氧化物溶液分离，在现实条件下验证了这一概念。下一步是评估这将对流程的整体效率和经济性产生多大影响。他们创建了一个技术经济模型，其中包括电化学效率、电压、吸收率、资本成本、纳滤效率和其他因素。

分析表明，目前的系统每捕获一吨二氧化碳的成本至少为 600 美元，而添加纳滤组件后，这一成本降至每吨约 450 美元。更重要的是，新系统更加稳定，即使在溶液中离子浓度变化的情况下也能继续高效运行。“在没有纳滤的旧系统中，您有点像在刀刃上作，”Rufer 说;如果浓度在一个方向或另一个方向上发生哪怕轻微的变化，效率也会急剧下降。“但使用我们的纳滤系统，它有点像缓冲器，它变得更加宽容。您拥有更广泛的运营制度，并且可以显著降低成本。

超越直接空气捕获

他补充说，这种方法不仅适用于他们专门研究的直接空气捕获系统，还适用于点源系统（直接连接到发电厂排放源）或该过程的下一阶段，将捕获的二氧化碳转化为有用的产品，例如燃料或化学原料。他说，这些转化过程“在碳酸盐和氢氧化物的权衡中也遇到了瓶颈。

此外，Varanasi 说，这项技术可能会带来更安全的碳捕获替代化学品。“许多这些吸收剂有时可能有毒或对环境有害。通过使用像我们这样的系统，您可以提高反应速率，因此您可以选择最初可能不具有最佳吸收速率但可以改进以实现安全性的化学物质。

可供实际使用

Varanasi 补充说，“这真的很棒，因为我们能够利用市售的东西来做到这一点”，并且系统可以很容易地改装到现有的碳捕获装置上。如果成本可以进一步降低到每吨 200 美元左右，那么它就有可能被广泛采用。他说，通过正在进行的工作，“我们有信心，我们将拥有一些在经济上可行的产品”，并最终生产出有价值、可销售的产品。

Rufer 指出，即使在今天，“人们以每吨 500 美元以上的成本购买碳信用额度。因此，以我们预计的这个成本，它已经具有商业可行性，因为有一些买家愿意支付这个价格。但他说，通过进一步降低价格，应该会增加考虑购买该抵免的买家数量。“这只是我们能让它普及到什么程度的问题。”认识到这种不断增长的市场需求，Varanasi 说：“我们的目标是提供行业规模、成本效益高且可靠的技术和系统，使他们能够直接实现脱碳目标。

参考资料：Simon Rufer、Tal Joseph、Zara Aamer 和 Kripa K. Varanasi 于 2025 年 5 月 20 日发表的“碳酸盐/氢氧化物分离提高 CO₂ 吸收率和电化学释放效率”，ACS Energy Letters。
DOI： 10.1021/acsenergylett.5c00893

该研究得到了壳牌国际勘探和生产公司（Shell International Exploration and Production Inc.）通过麻省理工学院能源计划（MIT Energy Initiative）和美国国家科学基金会（U.S. National Science Foundation）的支持，并利用了MIT.nano的设施。