南科大张作泰团队开发低成本固废源碳捕集材料

　　近日，南方科技大学环境科学与工程学院张作泰教授课题组在 Environmental Science & Technology 期刊上发表了题为“Transforming coal fly ash into climate solutions: AlOOH-supported solid amine adsorbents for cost-effective and ultranegative CO2 emissions”的研究论文。该研究提出了一种创新固态胺吸附剂合成策略，利用燃煤电厂粉煤灰制备碳捕集材料，显著降低碳捕获成本和碳足迹，为燃煤电厂CO2捕集提供了经济可行的解决方案。
 

图1 燃煤电厂原位利用粉煤灰实现CO2捕集、利用和封存(CCUS)的策略
 

　　随着人类活动导致CO2浓度上升，碳捕获与封存(CCS)技术已成为减少CO2排放的重要手段。固态胺吸附剂因其高选择性、优异的吸附容量和低再生能耗，成为下一代CCS技术的关键材料。然而，高生产成本和有限的循环稳定性限制了其在实际应用中的推广。为解决这些问题，团队提出了一种创新技术路线——利用燃煤电厂粉煤灰作为原料合成以AlOOH为载体的固态胺吸附剂。该吸附剂不仅在烟气碳捕集过程中表现出卓越的捕集性能，同时还具备较低的碳足迹和捕集成本。
 

图2 PEI@AlOOH吸附剂的吸附性能和循环稳定性
 

　　研究团队通过从粉煤灰中提取的NaAlO2为原料，成功合成了多孔AlOOH材料，该材料具有丰富的孔隙结构、层间水和表面羟基基团。以此为载体，负载聚乙烯亚胺(PEI)，制备了PEI@AlOOH吸附剂。该吸附剂在模拟燃煤烟气条件下展现出178 mg/g的CO2吸附容量，并在150℃的CO2再生气氛中循环30次后，性能衰减仅为4.11%。其卓越的稳定性得益于AlOOH载体的层间水和表面羟基基团，它们有效抑制了高温下尿素的生成，从而显著提升了吸附剂的抗尿素循环稳定性。
 

图3 PEI@AlOOH吸附剂的全生命周期分析和经济成本分析
 

　　通过全生命周期评价和经济成本分析，研究团队发现，PEI@AlOOH的碳足迹明显低于传统硅基固态胺和树脂基固态胺吸附剂，每吨CO2捕集的碳排放量仅为190kg。此外，得益于低廉的载体材料成本、优异的吸附性能和循环稳定性，PEI@AlOOH的碳捕集成本也显著低于其他两类吸附剂，凸显了其广泛的应用潜力。
 

　　该研究为解决燃煤电厂CO2排放问题提供了创新的思路和技术支撑，具有广泛的应用前景，对推动碳捕集技术的商业化具有重要意义。
 

　　论文第一作者为环境科学与工程学院研究助理教授沈雪华，张作泰和沈雪华为论文通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。以上研究得到了国家自然科学基金、广东省科学技术厅和深圳市科技创新局的支持。