CCUS 技术新突破：让水分子成为 CO?捕集的 “助力者”

在碳捕集与封存（CCUS）技术领域，潮湿烟气中的 CO?捕集一直是行业难题 —— 传统吸附剂往往因水分子竞争吸附位点而效率骤降。近日，太原理工大学研究团队在《Advanced Materials》发表的最新成果，用一种 “反常规” 思路破解了这一困境：通过在金属有机框架（MOF）材料中构建 H?O 位点，让水分子从 “干扰者” 变身为 CO?捕集的 “助力者”，实现了潮湿环境下 CO?的长期高效捕获。

潮湿烟气捕集难？让水分子 “为我所用”

工业烟气、电厂废气中通常含有大量水蒸气（湿度常达 75% 以上），这对 CO?吸附剂是极大考验。传统材料（如沸石、活性炭）要么被水破坏结构，要么因水分子与 CO?竞争吸附位点而失效，导致捕集效率低、再生能耗高。

太原理工大学陈杨研究员、李立博教授、李晋平教授团队提出的新策略颠覆了传统思路：不排斥水，而是 “固定” 水。他们设计的 MOF 材料（命名为 TYUT-ATZ-β）通过精确调控孔道中的 - NH?官能团数量和孔径尺寸，在一维扩散通道中构建了稳定的 H?O 结合位点。这些被固定的水分子不仅不堵塞通道，反而通过氢键与 CO?形成 “协同吸附”，大幅增强了材料对 CO?的选择性。

性能 “成绩单”：高容量、高稳定、耐潮湿

实验数据显示，这种新型 MOF 材料的表现远超同类：

• 吸附容量突出

  在 0.15 bar（模拟烟气中 CO?分压）下，CO?吸附容量达 62.7 cm?/cm?，远超多数 MOF 材料；  

• 选择性惊人

  对 CO?/N?（15/85，模拟烟气组分）的选择性高达 2031，意味着能精准 “抓取” CO?，几乎不吸附氮气；  

• 耐潮湿能力强

  在 75% 高湿度环境中，CO?/H?O 吸附比达到同类材料最高，解决了 “水干扰” 问题；  

• 长期稳定性优异

  经过 100 次循环捕集 - 再生实验，吸附性能几乎无衰减，满足工业长期运行需求。  

技术突破点：从 “对抗水” 到 “利用水”

团队通过单晶结构分析揭示了其核心机制：

1. 通道设计

   TYUT-ATZ-β 的一维孔道尺寸被精确控制在 3.1-4.6 ?，既为 CO?提供足够空间，又通过 - NH?官能团与水分子形成稳定氢键，将 H?O “锚定” 在特定位置；  

2. 协同作用

   被固定的水分子成为额外的 CO?结合位点，通过氢键与 CO?相互作用，相当于为 CO?打造了 “专属吸附站”；  

3. 快速再生

   材料在低能耗条件下（323K，约 50℃）即可完成再生，解决了传统材料再生能耗高的痛点。  

从实验室到工业界：为 CCUS 落地提速

这项技术为何重要？我国工业烟气 CO?年排放量超 30 亿吨，其中火电、钢铁、化工等行业的潮湿烟气占比超 80%。传统技术因效率低、成本高难以大规模应用，而 TYUT-ATZ-β 材料的突破，为潮湿烟气 CO?捕集提供了 “低成本、高稳定” 的新方案。

研究团队表示，下一步将推动材料规模化制备，并联合电厂、化工企业开展中试，探索在实际烟气环境中的应用。“我们的目标是让这种 MOF 材料成为工业碳捕集的‘标配’，助力高耗能行业实现低碳转型。”