全球许多政府和企业正在制定应对气候变化与全球变暖的相关措施。迄今为止，工作重点主要集中在通过推广电动汽车、太阳能电池板及其他可持续技术或能源解决方案，减少二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)等温室气体排放。

然而，部分能源工程师也在探索直接从空气中移除这些气体的可能性，这种方法被称为“直接空气捕集”(Direct Air Capture, DAC)。尽管潜力可观，但现有的大多数直接空气捕集系统要么能耗过高(每捕集一吨CO2消耗6至10吉焦能量)，要么性能随运行时间推移而显著下降。

美国西北大学和加州理工学院的研究人员近期引入了一种新型电气化矿物基系统，能够在更低能耗和更高稳定性的条件下从大气中移除CO2。这项研究发表于《自然·能源》(Nature Energy)杂志，由Ted Sargent教授课题组与Omar K. Farha教授合作完成。

电气化驱动的新型捕集路径

论文共同通讯作者Ted Sargent教授表示：“直接空气捕集有助于解决航空、航运、水泥等领域难以削减的残余排放，也可以减少大气中已积累的CO2总量。即便实施严格的减排措施，大多数净零排放方案仍假设需要某种形式的碳移除技术来应对难以消除的剩余排放。当采用低碳电力驱动时，电气化DAC有望成为实现净负排放的路径之一。”

此前开发的DAC系统主要依赖液态碳酸盐溶液或有机吸附剂。前者为水基化学品，可与CO2反应生成含碳化合物;后者为碳基材料，通过物理或化学作用吸附气体。但两者均存在局限性：液态碳酸盐系统能耗较高，而有机吸附剂在接触氧气时易快速降解，影响系统运行的长期稳定性。

Sargent、Xie及其同事提出的新系统采用常见矿物材料——氧化锰(MnO₂)作为吸附介质。该无机材料在电化学充电状态下可从空气中捕集CO2，切换电压偏向后则可释放所捕集的CO2。

论文第一作者刘泽岩(Zeyan Liu)介绍：“经过运行方式优化后，该系统在实际空气条件(0.04% CO2浓度、21%氧气浓度)下，每捕集一吨CO2能耗约为4吉焦，同时对氧气和湿度的敏感性较低。”

耐久性与能耗表现提升

直接空气捕集的技术难点在于：空气中CO2浓度极低，且捕集过程需在有氧和潮湿环境下运行——这两个因素会影响吸附剂的性能和耐久性(例如有机胺类或醌类化合物对氧气敏感)。此项研究展示了一条可在上述条件下保持有效运行的技术路径。

初步实验显示，该单次循环可从空气中捕集约80%的CO2，单位能耗为每吨CO2捕集4.1吉焦，低于此前报道的多项技术。此外，矿物吸附剂表现出优于有机吸附剂的耐久性：运行超过1000小时后，系统仍保持初始捕集能力90%以上。

论文作者之一Xie指出：“与依赖大幅pH值变化(常见于电气化液体系统)或氧敏有机捕集分子的方案不同，本文展示了一条采用无机氧化还原活性矿物吸附剂、通过电压控制实现捕集的技术路线。这一机制可能推动新型电化学接触器设计，并在高湿等对其他捕集技术具有挑战性的场景中获得应用。”

未来展望

该电气化直接空气捕集系统目前处于概念验证阶段。研究团队认为，后续可通过设计新型电化学接触器来改善实际运行指标(如单位面积成本、产率)，推动技术成熟度提升，为大气污染治理和气候稳定化提供新的技术选项。

出版详情：作者：Zeyan Liu等人，标题：《CO2的电可逆表面矿化 用于直接空气捕获》，发表于：《自然能源》(2026)。期刊信息：自然能源