在回国任教即将迎来两周年之际，香港中文大学（深圳）理工学院李怀光教授的一作 Nature 论文终于付梓。

图 | 李怀光（来源：李怀光）

此前，他在欧洲留学和工作将近 10 年之久。在德国波鸿大学获得博士学位之后，他先后在德国波鸿大学和德国慕尼黑工业大学从事博士后研究。

后又加入英国剑桥大学研究二氧化碳吸附剂，正是在英国期间，他完成了本次 Nature 论文中的课题。

图 | 黄衣者为李怀光（来源：李怀光）

连续测试 11 天，吸附性能始终保持在 100%

研究中，他和合作者通过利用电化学技术，将分离之后的带电离子作为吸附位点，借此开发出一种新型吸附剂材料，并将其命名为带电吸附剂（Charged sorbent）。

图 | 带电吸附剂的实物图（来源：李怀光）

带电吸附剂的吸附热高达 137kJ mol⁻¹，对二氧化碳表现出极强的亲和力，能为在空气中直接捕获超低浓度的二氧化碳提供必要条件。

在连续 11 天的测试中，带电吸附剂的吸附性能始终保持在 100%，即便经过 14 个月之后性能也仅仅下降 8%。

在直接空气中捕集测试中，在不到 25 分钟的时间之内，带电吸附剂就能将空气中的二氧化碳浓度降低至大约 25ppm。

同时，由于带电吸附剂具有良好的导电性，故能通过焦耳热的方式，快速地完成吸附剂的脱附过程。

基于这一优势，带电吸附剂可以直接利用可再生能源，进行原位焦耳加热脱附，从而能够极大提高能源利用效率。

固态核磁测试数据表明：在极短时间之内，焦耳加热就能将材料迅速加热至 90℃，实现二氧化碳的完全脱附。

相比传统方法中的吸附产物碳酸盐，带电吸附剂的脱附过程，完全绕开晶格能垒，因此能在 90℃ 到 100℃ 的相对低温之下完成脱附。

此外，相比传统的加热方法，通过采取焦耳加热脱附技术，让带电吸附剂得以同时拥有高效率和低能耗的优势。

带电吸附剂的制备采用了类似于电池充电的原理，在低成本的活性碳孔隙之中，带电吸附剂可以积聚大量的活性氢氧根离子，并通过形成碳酸（氢）根的方式，迅速捕获空气中的二氧化碳。

同时，带电吸附剂不仅化学吸附容量较高，而且物理吸附脱附能耗较低，能够大大降低碳捕集的能耗成本。

此外，带电吸附剂的原材料来源丰富、简单易得，故能直接用于空气中的碳捕集。

而凭借高度可定制的孔隙环境，预计带电吸附剂将在化学分离、催化等领域带来广阔的应用前景。

李怀光表示：“在不久的将来，就有希望打造出来基于带电吸附剂的空气直接碳捕集系统。”

届时，当空气进入该系统的内部之后，可以和带电吸附剂进行充分接触。

从而让二氧化碳分子被吸附到带电吸附剂表面，进而在吸附活性位点发生化学反应。

这时，其它剩余的气体分子，比如氮气、氧气会通过出风口回到空气之中。

当带电吸附剂进入吸附饱和状态之后，吸附量就会达到峰值，这时带电吸附剂将会停止工作。

此时，在加热或低压的条件之下，就能把吸附的二氧化碳脱附出来，并把高浓度二氧化碳通过加压方式进行储存。而完成脱附任务的带电吸附剂，则能被重复使用。

（来源：Nature）

“大胆”利用超级电容器原理，打造碳捕集新技术

事实上，在本次论文发表之前，已经有不少碳捕集技术，那么它缘何依旧值得研究？

近年来，全球气候变化问题日益严峻，温室气体排放被认为是主要原因之一。为了实现碳中和以及应对气候变化，各国正在大力发展清洁能源。

但是，短期内化石燃料依旧难以被完全替代。因此，如何有效地降低碳排放，成为能源领域面临的重大挑战。

在这种背景之下，碳捕集技术得到了广泛的关注和研究。碳捕集技术，是指从各种排放源中捕获和分离二氧化碳，并将其进行永久储存或循环利用。

然而，碳捕集技术高居不下的成本，限制了这项技术的大规模利用。而如何降低碳捕集技术的能耗，是研发高性能吸附材料的关键。

（来源：Nature）

正是在这一背景之下，李怀光和合作者开展了本次研究。其表示：“这项工作起始于一个大胆的想法，即利用超级电容器的工作原理，来分离离子制备吸附剂。”

当时，李怀光等人调研了各种碳捕集工艺，厘清这些工艺所面临的技术瓶颈和关键问题之后，确立了带电吸附剂的的路线。

最先，他们尝试了两电极体系，即采用纽扣电池的结构，针对碳膜组成的超级电容器进行充电。

再经过一系列后续处理，尽管也能造出带电吸附剂，但是测试结果显示碳捕集的性能并不理想。

后来，他们将两电极体系变换到三电极体系，以便精确地控制充电电压。

期间，李怀光和合作者先后筛选和优化了各种电解液、碳材料等关键组件，以研究它们对于二氧化碳捕集效率的影响。

经过反复的试验和测试，让材料参数和技术参数终于得以确认。通过此，他们成功造出了新的带电吸附剂，并实验测试中展现出优异性能。

（来源：Nature）

李怀光回忆称：“开展这项研究的时候还处于欧洲新冠疫情期间，实验环境和实验时间都比较受限。”

当时，剑桥大学化学系为了防止师生感染，除了佩戴口罩外，还设计了一种类似单行道的通行规则。

而在制备电极材料和开展测试时，李怀光分别需要使用两个实验室。

“由于单行道的规则，我必须在化学系大楼里绕上一整圈才能回到起点。最有意思的是，经常有新来的学生在楼里迷路。”他说。

而且每个实验室还规定了容纳人数上限，一旦人员满额，就得等上一个人出来之后才能进去。

“这让实验进度受到了很大影响，好在实验一直都很顺利，来自美国和意大利的合作者也给予了很大帮助。”李怀光表示。

图 | 在剑桥大学的李怀光（来源：李怀光）

最终，相关论文以《用电荷吸附剂从空气中捕获二氧化碳》（Capturing carbon dioxide from air with charged-sorbents）为题发在 Nature[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature）

审稿人评价道：

首先，利用类似电池的充电过程，在电极中加入氢氧根离子，以用于捕获二氧化碳的思路非常新颖。

其次，焦耳加热的使用、及其对于解吸动力学的影响，也非常令人兴奋。

此外，李怀光等人还研究了吸附剂材料和二氧化碳的（脱）吸附机理，在审稿人眼中这些都是领域内的新发现。

目前，已经回国独立建组的李怀光教授团队正在和合作者尝试将带电吸附剂这一实验室技术，转移到大规模工业生产之中，并将继续优化能耗、成本、可靠性等要素。

与此同时，他还将利用计算机模拟和机器学习方法，针对各种工况条件下的性能进行虚拟筛选和优化，以期大幅提高实验效率和实验成功率。

并打算将 AI 技术进一步集成到碳捕集系统之中，通过利用 AI 算法来实时地分析系统运行数据，在针对关键工艺参数进行自动优化的同时，希望也能提高碳捕集效率和稳定性。

通过此，有望在中试阶段和示范阶段，让碳捕集系统变得更加智能。“相信通过持续的创新和努力，这项技术能够成为应对气候变化、实现‘双碳’目标的又一把利器。”李怀光最后表示。

参考资料：

1.Li, H., Zick, M.E., Trisukhon, T.et al. Capturing carbon dioxide from air with charged-sorbents. Nature630, 654–659 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07449-2

排版：溪树、刘雅坤