高效去除大气中的二氧化碳常被视为应对气候变化的关键，但现有碳捕获系统存在弊端：高效捕获二氧化碳的化合物难释放，高效释放的化合物捕获效率又低，优化循环一部分往往使另一部分恶化。如今，麻省理工学院研究人员提出新方法，有望解决这一难题。

当地时间5月20日，相关研究成果发表于《ACS Energy Letters》杂志，由麻省理工学院博士生Simon Rufer、Tal Joseph和Zara Aamer以及机械工程教授Kripa Varanasi共同撰写。

“在碳捕获方面，需从一开始就考虑规模，要产生有意义影响，需处理数十亿吨二氧化碳。”瓦拉纳西教授表示，这种思维模式有助于找到关键瓶颈并设计出有影响力创新方案，这也是他们工作的动力。

许多碳捕获系统使用氢氧化物，其易与二氧化碳结合形成碳酸盐，碳酸盐被送入电化学电池与酸反应生成水并释放二氧化碳，此过程可将普通空气转化为100%纯度二氧化碳，用于制造燃料等产品。然而，捕获和释放步骤虽在同一水溶液中进行，但前者需高氢氧离子浓度溶液，后者需高碳酸离子浓度溶液。

“这两个步骤相互矛盾。”瓦拉纳西说，两个系统循环相同吸附剂、操作相同液体，却因需不同类型液体以达最佳运行状态，无法同时在最高效率点运行。

研究团队提出解决方案：分离系统两部分并引入第三部分。在第一步中，氢氧化物大部分转化为碳酸盐后，特殊纳滤膜根据离子电荷分离两者，碳酸根离子带2个电荷，氢氧根离子带1个电荷。鲁弗称，纳滤技术能很好分离二者。分离后，氢氧离子被送回系统吸收侧，碳酸盐被送至电化学释放阶段，使系统两端都能更高效运行。

在电化学释放步骤中，质子被添加到碳酸盐中使其转化为二氧化碳和水，但若存在氢氧离子，质子会与其反应只生成水。鲁弗指出，若不分离氢氧化物和碳酸盐，系统会失效，因质子会被添加到氢氧化物而非碳酸盐中，导致只提取水，效率降低，而此前未有人提出用纳滤防止这种情况。

测试表明，纳滤技术能以约95%的效率将碳酸盐从氢氧化物溶液中分离出来，验证了这一概念。研究团队创建技术经济模型，纳入电化学效率、电压、吸收率等因素后分析发现，现有系统每捕获一吨二氧化碳成本至少600美元，添加纳滤组件后降至每吨约450美元。此外，新系统更稳定，即使溶液中离子浓度变化也能持续高效运行。

鲁弗称，旧系统操作像在刀刃上，浓度稍有变化效率就急剧下降，而纳滤系统像缓冲器，操作范围更广、成本更低。该方法不仅适用于直接空气捕获系统，也适用于点源系统或用于将捕获二氧化碳转化为有用产品的下一阶段，这些转化过程也因碳酸盐和氢氧化物的权衡而受瓶颈制约。

此外，该技术还可为碳捕获带来更安全替代化学方法。瓦拉纳西表示，很多吸收剂可能有毒或对环境有害，使用此系统可提高反应速率，选择初始吸收率非最佳但可确保安全的化学方法。

瓦拉纳西还称，这项技术真正令人欣喜的是能利用现有资源实现目标，且系统可轻松改装到现有碳捕集装置上。若成本能降至每吨约200美元有望广泛应用。鲁弗指出，目前人们购买碳排放额度价格超每吨500美元，按预测成本该技术已具商业可行性。通过进一步降价，可增加考虑购买信贷的买家数量。

瓦拉纳西认识到市场需求不断增长，表示团队目标是为行业提供可扩展、经济高效且可靠的技术和系统，助力行业直接实现脱碳目标。

更多信息：Simon Rufer 等人，《碳酸盐/氢氧化物分离提升二氧化碳吸收速率和电化学释放效率》，ACS Energy Letters (2025)。