热力发电

分类	原理	优点	缺点
液体DAC技术	CO₂与碱性氢氧化物反应生成碳酸盐	技术成熟、吸收速率高	设备和运营成本较高，能耗和维护难度大
固体DAC技术	低温下固体吸附剂捕获CO₂	吸附效率较高、再生稳定性较好、技术成熟、吸附速率高、再生温度低	成本较高，长期稳定性差，吸附剂的回收和再生过程复杂

分类	原理	优点	缺点
液体DAC技术	CO₂与碱性氢氧化物反应生成碳酸盐	技术成熟、吸收速率高	设备和运营成本较高，能耗和维护难度大
固体DAC技术	低温下固体吸附剂捕获CO₂	吸附效率较高、再生稳定性较好、技术成熟、吸附速率高、再生温度低	成本较高，长期稳定性差，吸附剂的回收和再生过程复杂

直接空气碳捕集耦合二氧化碳光、热、电转化技术研究进展

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柳待 ¹ , 王宇旸 ¹ , 吴嘉僖 ¹ , 吴宛霖 ¹ , 王腾 ¹ , 熊卓 ¹ , 刘婧 ² , 赵永椿 ¹ , 张军营 ¹

热力发电 | 碳资源化利用与转化技术 2025,54(6): 17-27

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热力发电 | 碳资源化利用与转化技术 2025, 54(6): 17-27

直接空气碳捕集耦合二氧化碳光、热、电转化技术研究进展

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柳待¹, 王宇旸¹, 吴嘉僖¹, 吴宛霖¹, 王腾¹, 熊卓¹, 刘婧², 赵永椿¹, 张军营¹

作者信息

^1.华中科技大学煤燃烧与低碳利用全国重点实验室，湖北　武汉　430074

^2.华东电力试验研究院有限公司，上海　200437

柳待（2004），男，硕士研究生，主要研究方向为直接空气碳捕集，2842281493@qq.com。

通讯作者:

熊卓（1989），男，博士，副教授，主要研究方向为碳捕集与转化利用，zxiong@hust.edu.cn。

Research progress on the technology of direct air carbon capture coupled with carbon dioxide photo-thermo-electric conversion

Dai LIU¹, Yuyang WANG¹, Jiaxi WU¹, Wanlin WU¹, Teng WANG¹, Zhuo XIONG¹, Jing LIU², Yongchun ZHAO¹, Junying ZHANG¹

Affiliations

^1.State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

^2.China Energy Engineering Group East China Electric Power Test Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200437, China

出版时间: 2025-06-25 doi: 10.19666/j.rlfd.202504034

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摘要

收起

直接空气碳捕集（direct air capture，DAC）技术作为典型的负碳排放技术，是实现碳中和目标的关键技术之一，但是其依然面临高成本、高能耗问题。DAC技术与碳利用技术的深度耦合，将捕集的CO₂转化为高附加值产品，可提升碳减排效率并降低全过程成本，在碳中和路径中具有重要价值。介绍了DAC技术的分类和原理，综述了DAC技术与CO₂光、电、热转化技术耦合的研究进展和主要挑战，最后展望了DAC技术与碳利用技术深度耦合的应用前景和发展方向。

关键词

直接空气碳捕集 / CO₂光、电、热转化 / 深度耦合 / 研究进展

Abstract

收起

Direct air capture (DAC) technology, a representative negative carbon emission solution, stands as a pivotal technology for achieving carbon neutrality. However, it still confronts challenges of high costs and energy consumption. The synergistic integration of DAC with carbon utilization technologies, namely transforming captured CO₂ into high-value products, can enhance carbon reduction efficiency while lowering lifecycle costs, rendering it a critical component in the carbon neutrality roadmap. This paper systematically reviews the classification and underlying principles of DAC, summarizes recent advancements and challenges in its integration with photovoltaic, electrochemical, and thermal CO₂ conversion technologies, and concludes with an outlook on the future development and applications of deep coupled DAC and carbon utilization.

Key words

direct air carbon capture / photo/electric/thermo conversion of carbon dioxide / deep coupling / research advances

引用本文

柳待, 王宇旸, 吴嘉僖, 吴宛霖, 王腾, 熊卓, 刘婧, 赵永椿, 张军营. 直接空气碳捕集耦合二氧化碳光、热、电转化技术研究进展. 热力发电, 2025 , 54 (6) : 17 -27 . DOI: 10.19666/j.rlfd.202504034

Dai LIU, Yuyang WANG, Jiaxi WU, Wanlin WU, Teng WANG, Zhuo XIONG, Jing LIU, Yongchun ZHAO, Junying ZHANG. Research progress on the technology of direct air carbon capture coupled with carbon dioxide photo-thermo-electric conversion[J]. Thermal Power Generation, 2025 , 54 (6) : 17 -27 . DOI: 10.19666/j.rlfd.202504034

正文

收起

直接空气捕集（direct air capture，DAC）技术作为一种新兴的CO₂捕集手段，能够从大气中直接捕获CO₂（图1）^[1]，为缓解气候变化^[2-4]提供了新的可能性。与传统碳捕集技术不同，DAC技术不依赖特定的工业排放源，具有更强的灵活性和普适性，其核心在于提供了一种可规模化的负排放（carbon dioxide removal，CDR）解决方案，弥补了传统减排手段的局限性。DAC不仅能够抵消难以脱碳行业（如航空、农业）的剩余排放，还能逆转工业革命以来的历史碳排放，对实现联合国政府间气候变化专门委员会（intergovernmental panel on climate change，IPCC）提出的1 000亿~10 000亿吨CO₂清除目标至关重要^[4]。相较于固定源的碳捕集、利用与封存（carbon capture, utilization and storage，CCUS），DAC不受地理限制，可依托可再生能源高效运行，并将捕集的CO₂转化为合成燃料、建筑材料或化工原料，推动碳循环经济发展。

目前，DAC系统的建设和运营成本仍然较高，据估算，CO₂捕集成本可能高达200～600美元/吨，远高于传统碳捕集技术^[5-7]，这主要归因于其所需的先进材料、复杂的工艺流程以及大量的能源需求。DAC过程的高能源需求不仅增加了运行成本，还可能带来额外的碳排放，从而影响其净减排效益。同时，DAC技术不能生产任何具有经济价值的产品，限制了其只能在具有廉价能源的局部环境中使用。

若将DAC技术与CO₂利用技术耦合，不仅能减少CO₂排放，还能将CO₂转化为有价值的产品，实现资源的循环利用。这种耦合技术在化工、能源、材料等多个领域展现了巨大潜力，相较于固定源CCUS具有显著优势，主要体现在其处理分散排放、实现负排放以及地理灵活性方面的独特能力。固定源CCUS仅适用于高浓度点源排放（如电厂、水泥厂），而DAC可直接从大气中捕集CO₂（浓度约0.04%），覆盖交通、农业等分散排放源，可清除历史累积碳排放，助力实现《巴黎协定》的1.5 ℃温控目标^[8-9]。此外，DAC可灵活部署于可再生能源富集地区，利用绿电驱动碳捕集，同时与CO₂利用技术（如合成燃料、矿化建材）结合，形成可持续的碳循环经济。据国际能源署（international energy agency，IEA）预测，到2050年，DAC技术将在全球碳减排中发挥重要作用，有望实现数亿吨的CO₂减排量^[7]。

CO₂催化还原技术主要有热催化还原、光催化还原、电催化还原及生物催化还原等。热催化还原通过高温（200~1 000 ℃）及金属/氧化物催化剂（如Ni、CeO₂）驱动CO₂与还原剂（如H₂）反应生成甲烷、合成气等高能燃料，其核心在于热力学活化与催化位点协同作用^[10-11]；光催化还原利用半导体材料（如TiO₂、MOFs）的光生载流子（电子-空穴对）驱动CO₂还原为碳氢化合物（如CH₃OH、C₂H₂），依赖光吸收效率与电荷分离性能优化^[12-13]；电催化还原基于电解池中外加电场调控电极界面反应路径（如Cu阴极选择性生成C₂⁺产物），通过调节电位与电解质环境实现CO₂定向转化为CO、甲酸或乙烯等化学品^[14]；生物催化还原则借助微生物代谢（如产甲烷菌）或酶催化体系（如甲酸脱氢酶），在常温常压下将CO₂转化为生物燃料（如CH₄、乙酸），其本质是生物酶活性中心的电子传递与底物特异性结合^[15]。4类技术各具能质转化特征，共同构成CO₂资源化利用的多维路径。

本文将深入探讨DAC技术与CO₂光催化还原、CO₂热催化还原、CO₂电催化还原3种利用技术的分别耦合，通过对国内外相关研究现状的梳理总结，详细分析其工作原理与优势、技术进展以及面临的挑战，并展望其下一步发展的方向。

1　直接空气碳捕集技术

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DAC技术是一种直接从空气中捕获CO₂的技术^[16-18]，通过特定的物理或化学方法，将大气中含量相对较低（约0.4 g/L）的CO₂进行富集、分离和捕获，为后续存储或利用提供可能。根据捕集原理和使用材料的不同，DAC技术主要分为液体DAC（L-DAC）和固体DAC（S-DAC）2类。

1.1　液体DAC技术

液体DAC技术基于化学反应，主要利用化学溶液对CO₂进行吸收。常见的吸收溶液包括碱性氢氧化物溶液、胺溶液、氨基酸盐溶液等^[19-21]。例如，碱性氢氧化物溶液（如氢氧化钠NaOH溶液或氢氧化钾KOH溶液）与大气中的CO₂反应，生成易溶于水的碳酸盐，从而实现CO₂的吸收（图2）^[22]。胺溶液则利用烷醇胺对CO₂的高亲和力，在常温下从空气中吸收CO₂，随后通过加热汽提等方式使胺溶液再生，释放CO₂^[23-25]。

以胺溶液吸收为例，在吸收阶段，胺溶液中的胺分子与空气中的CO₂发生反应，形成氨基甲酸盐或碳酸氢盐，如式(1)所示。

R 2 NH+CO 2 +H 2 O ⇌ R 2 NH 2 + +HCO 3 -

(1)

式中：R代表有机基团。在上述反应中，胺分子（R₂NH）与CO₂、H₂O反应生成了胺盐（R₂NH₂⁺）和碳酸氢根离子（HCO₃^-）。由于胺对CO₂具有较高的亲和力，使得这一反应能够在相对温和的条件下进行，从而有效地将CO₂从空气中吸收到溶液中^[26-28]。

当胺溶液吸收了一定量的CO₂后，需要进行解吸再生，以便循环使用。解吸过程通常通过加热胺溶液实现。在加热的条件下，氨基甲酸盐或碳酸氢盐发生分解反应，释放出CO₂，胺溶液得以再生。反应方程式见式(2)。

R 2 NH 2 + +HCO 3 - → R 2 NH+CO 2 - +H 2 O

(2)

通过控制加热温度和压力等条件，可以使解吸过程高效进行，实现CO₂的富集和胺溶液的循环利用^[29-31]。

1.2　固体DAC技术

除基于液体溶剂的化学吸收法外，固体吸附剂凭借物理/化学吸附特性成为DAC技术的另一分支，见图3^[22]。两类技术的核心差异源于捕集介质的相态特性，即液体依赖动态化学反应，固体依赖材料表面吸附位点。

常见的固体吸附剂有固体碱（土）金属、金属有机框架（MOFs）材料、负载胺基吸附剂等^[32-34]。以固体碱（土）金属中的氧化钙（CaO）为例，其在常温常压下与CO₂发生碳酸化反应生成碳酸钙（CaCO₃），从而实现CO₂的吸附；在高温（通常900 ℃以上）条件下，碳酸钙又可分解为氧化钙和CO₂，使吸附剂再生，释放出的CO₂可被收集利用^[35-37]。MOFs材料具有高比表面积和可调控的孔道结构，通过在其上负载胺基或调整孔径及活性点位分布，可获得对CO₂具有较强吸附能力的材料，从而应用于CO₂的捕集^[38-40]。Belmabkhout等人于2010年报道将聚乙烯亚胺（polyethyleneimine，PEI）有机胺负载于硅基多孔载体用于DAC，材料吸附容量达0.98 mmol/g且在150 ℃惰性气吹扫下实现完全再生^[41]。与烟气CO₂捕集的醇胺溶液类似，固体胺基与CO₂反应的化学机理为在无水条件下，伯胺（RNH₂）与仲胺（R₁R₂NH）以化学计量数2∶1与CO₂反应，叔胺（R₁R₂R₃N）无CO₂反应活性；在有水条件下，伯胺、仲胺与叔胺均可以以化学计量数1∶1与CO₂反应^[42]。

以MOFs材料为例，其具有高度有序的多孔结构和丰富的活性位点。在吸附阶段，空气中的CO₂分子通过扩散作用进入MOFs材料的孔道内，并与孔道表面的活性位点发生相互作用，从而被吸附在材料的表面层^[43-45]。这种相互作用可以是物理吸附，即通过范德华力等较弱的作用力将CO₂分子吸附在材料的表面层；也可以是化学吸附，即CO₂分子与活性位点发生化学反应，形成化学键合^[46-48]。

当MOFs材料吸附饱和后，需要进行脱附再生，可通过改变温度、压力等条件实现。例如：采用变温脱附时，通过升高温度使CO₂分子的热运动加剧，从而克服与活性位点之间的相互作用力，从材料表面层脱附；采用变压脱附时，则是通过降低体系压力使CO₂分压降低，促使其从吸附相转移到气相，实现脱附^[49-51]。实际应用中也可结合多种脱附方式以提高脱附效率和CO₂的回收率。

1.3　技术对比

从吸收/吸附效率方面看，液体DAC技术在某些情况下具有较高的吸收速率。例如，胺溶液对CO₂的吸收速率较高，能够在较短时间内捕获大量CO₂。但随着吸收过程的进行，溶液中CO₂浓度逐渐增加，吸收效率逐渐降低^[52-54]。固体DAC技术中的一些吸附剂，如MOFs材料，虽然吸附速率可能较慢，但具有较高的吸附容量，能够在达到吸附平衡时吸附较多的CO₂，而且固体吸附剂的吸附选择性较好，能够更有效地从空气中分离出CO₂^[55-57]，见表1^[22]。

在设备复杂度与成本方面，液体DAC技术通常需要配备复杂的溶液循环系统、加热解吸装置以及防腐蚀设备等。例如，胺溶液吸收系统中，由于胺溶液具有一定的腐蚀性，需要使用耐腐蚀材料来制造设备，增加了设备成本和维护难度。同时，加热解吸过程需要消耗大量能量，进一步提高了运行成本^[58-60]。固体DAC技术的设备相对简单，一般只需要吸附塔和脱附装置等，而且固体吸附剂的使用寿命在特定工况下较长，减少了更换吸附剂的频率和成本^[61-63]。但固体DAC技术在吸附剂的制备和再生过程中也可能需要较高的能量投入^[64-66]。

稳定性与寿命也是评估2种技术的重要指标。液体DAC技术中的溶液容易受到杂质、温度、酸碱度等因素的影响，导致吸收性能下降。例如，胺溶液在长期使用过程中可能会发生氧化、降解等反应，影响其对CO₂的吸收能力，从而降低系统的稳定性和使用寿命^[67-69]。固体DAC技术中，吸附剂的稳定性较好，例如一些固体碱（土）金属吸附剂具有较好的化学稳定性，能够在多次吸附—脱附循环中保持较高的吸附性能，但部分吸附剂，如MOFs材料，在潮湿环境下可能会发生结构变化，影响其吸附性能和稳定性^[70-72]。

2　DAC耦合CO₂光电热转化技术

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DAC技术可与包括CO₂光催化还原、CO₂热催化还原、CO₂电催化还原在内的多种CO₂利用技术进行耦合。CO₂光催化还原技术借助催化剂（如TiO₂、CdS等）利用光能将CO₂还原为碳氢类化合物。光催化剂吸收光能后，电子会从价带跃迁至导带，进而形成电子-空穴对。在整个光催化反应机制里，电子承担着还原CO₂的关键职责，空穴则发挥着氧化催化剂或者水分子的重要作用^[73]。不过，仅依靠光催化过程，CO₂还原效率可能存在一定局限。此时，CO₂热还原技术便能作为有效的补充手段引入。该技术通过在高温条件下为CO₂分子赋予充足的活化能量，大幅提升CO₂分子的反应活性，使其能够更顺利地与还原剂发生反应，高效实现还原转化。于是，热还原技术提供的额外能量支持，与光催化过程中电子-空穴对驱动的反应相互协同、相辅相成，从不同方面共同发力，全方位推动CO₂还原反应更高效、顺畅地进行。以金属催化剂为例，首先CO₂吸附到催化剂表面，然后催化剂将额外的电子提供给CO₂分子，使其发生还原反应，形成一氧化碳等中间产物，一氧化碳可进一步转化为其他有机化合物，如甲烷或甲醇^[73]。而对于CO₂电化学还原技术，CO₂在电解池中的电极表面发生氧化还原反应。一般在阴极，CO₂得到电子被还原，生成CO、HCOOH、CH₃OH、CH₄、C₂H₄等还原产物；在阳极，通常水被氧化产生氧气。整个过程通过外部电源提供电能来驱动反应进行，将CO₂从温室气体转化为具有经济价值的物质^[74-75]。

2.1　DAC与CO₂光催化还原技术耦合

DAC技术与CO₂光催化还原技术的耦合通过整合碳捕集与太阳能驱动的CO₂催化转化，可构建“捕集-转化-利用”的负碳循环体系^[76-78]。其具体过程如下：DAC从大气中捕集的CO₂（纯度>95%）可直接作为光催化还原反应的碳源，避免了传统光催化中CO₂浓度不足的瓶颈。光催化还原依赖太阳能驱动，与DAC的可再生能源供能（如光伏）形成低碳循环^[79-81]。Liu等人成功制备的MgAl(LDO)/TiO₂不仅能够在接近真实烟气温度下（~150 ℃）作为高效吸附剂捕集CO₂，而且在中等温度（300~500 ℃）下可以作为光催化剂，将捕获的CO₂以10%~15%的高转化效率转化为CO^[82]。Ma等人采用溶剂热法制备的Pt/Ni-MOF催化剂对大气中CO₂的捕集和浓缩具有选择性，且通过红外光照射，可以利用光热催化将捕获的CO₂转化为CO和CH₄^[83]。剑桥大学Sayan Kar团队设计了一种集成式气相直接空气碳捕集与利用流动反应器（图4）^[79]，不仅能够从空气中捕集和浓缩CO₂，而且可以使用模拟太阳光将CO₂转化为可再生燃料^[79]。

该团队组基于自主研发的氧化铝/二氧化硅-二氧化钛-钴双（三联吡啶）（Al₂O₃/SiO₂-TiO₂-CotpyP）复合体系，利用光驱动将CO₂转化为燃料。此项目不仅展示了分子-半导体杂化材料对气相CO₂的光催化还原性能，而且实现了CO₂捕获与转换过程的同步分离，为解决大气氧不足问题提供了新思路^[79]。北京化工大学樊佳轩等提出了一种用于耦合光催化CO₂还原与5-hydroxymethylfurfural（5-HMF）氧化的纳米催化剂，实现了CO₂捕集与光催化的协同^[80]。田义欣等首次将ZSM-5吸附剂与NiV₂Se₄光催化剂耦合，直接从空气中捕集CO₂并转化为乙烷（C₂H₆），产率达1.85 μmol/(g·h)^[81]。中国科学院化学研究所韩布兴院士团队设计了Z型异质结光催化剂（如Cu₂O-Pt/SiC/IrO_x），通过空间分离CO₂还原与水氧化位点，提升光生电荷利用效率，为DAC与光催化还原耦合提供了催化剂设计理论基础^[84]。Tian等人设计的Ni_x/NaA双功能材料将CO₂从空气中直接捕集后，利用太阳能驱动转化为清洁燃料，例如CH₄，该耦合反应可利用单个反应器进行，在方便操作的同时优化了经济效益^[85]。

2.2　DAC与CO₂热化学还原技术耦合

DAC与CO₂热化学还原技术的耦合通过高温驱动将从空气中捕集的CO₂转化为高附加值燃料或化学品（如合成气、甲烷、甲醇）。Veselovskaya等人以K₂CO₃/Al₂O₃为吸附剂、Ru/Al₂O₃为催化剂，将其分段填充于反应器，应用DAC技术捕集CO₂，并在300~350 ℃条件下对捕集的CO₂进行还原，得到产物甲烷^[86]。Jeong-Potter等人在DAC装置中利用负载型双功能材料捕集空气中的CO₂并在300 ℃的加氢反应下还原CO₂得到产物甲烷^[87]。华中师范大学郭李娜等与中国科学院研究团队聚焦于中温（300~500 ℃）热催化体系，开发了Ni/Al₂O₃催化剂与胺基吸附剂的协同系统，通过余热驱动DAC脱附，降低整体能耗^[10]。中温条件下，哥伦比亚大学Chae Jeong-Potter团队开发了Fe₃O₄/γ-Al₂O₃双功能材料，在550 ℃下通过化学链循环实现CO₂捕集与甲烷化，单次循环CO₂转化率达65%。在高温（500~1 500 ℃）下，利用催化剂将CO₂与氢气（H₂）或水（H₂O）反应生成合成气（CO+H₂）、甲烷（CH₄）或液体燃料（如甲醇）。该过程能够实现CO₂高效转化，单程转化率可达80%以上（光还原通常<20%）^[11]。中国科学院大连化学物理研究所何佳慧等开发了基于钙钛矿型氧化物的高温吸附-催化双功能材料（如La_1₋xSr_xCoO₃），在600~800 ℃下实现CO₂吸附与甲烷化反应的耦合，CO₂转化率可达75%^[88]。Guo等人开发的集成CO₂捕集与原位转化的装置在同一反应器内利用固体吸附剂吸附与非热等离子体催化相结合的方式实现了等离子体诱导的CO₂解吸和裂解转化^[89]。

2.3　DAC技术与CO₂电化学还原技术耦合

DAC与CO₂电化学还原技术的耦合通过电能驱动实现“捕集-转化-利用”的一体化闭环^[90]。DAC技术从空气中捕集低浓度CO₂（约0.4 g/L），可以直接作为电化学还原反应的原料。再利用电化学还原技术，在常温常压下，利用可再生能源电力驱动催化剂（如铜、银、锡基材料）将CO₂转化为高附加值产物，包括C₁产物（CO、甲酸（HCOOH）、甲烷（CH₄））和C₂+产物（乙烯（C₂H₄）、乙醇（C₂H₅OH）、丙酸（C₃H₆O₂））。

该耦合方式可以实现能源协同，绿电（风电、光伏）同时驱动DAC捕集与电化学还原，实现全流程零碳^[90]且通过催化剂设计可精准控制产物类型（如铜基催化剂倾向生成C₂+产物）^[70]。同时，DAC吸附单元与电解槽可直接串联，减少中间储运成本。上海高等研究院提出“吸附-电解”一体化装置，利用多孔碳负载Cu单原子催化剂，直接以DAC捕集的CO₂为原料生成乙烯，法拉第效率达45%^[91]。Rabiee等人通过综述关于膜基气体扩散电极在该过程中的应用，总结了CO₂捕集和电催化耦合的应用前景^[14]。

加拿大多伦多大学的David Sinton院士团队聚焦基于氨基酸盐溶液（甘氨酸钾，K-GLY）的CO₂反应性捕集，见图5^[92]。

在捕获系统中，CO₂首先在碳捕获单元中与K-GLY溶液反应完成化学吸附，随后捕获CO₂的溶液进入电解槽，阳极侧质子经GEM迁移，使化学吸附的CO₂释放，释放后的CO₂在极间扩散，并最后在阴极催化剂作用下被还原，还原后的产物使得甘氨酸两性离子再生捕获溶液。在众多氨基酸候选物中，由于甘氨酸钾在低CO₂分压下具有快速CO₂捕集能力和高CO₂吸收容量，在CO₂捕集方面展现出特别的潜力。同时将捕获后的电解液直接作为膜电极组件的输入，并通过对原位生成的CO₂进行电化学还原产生一氧化碳^[92]。

3　DAC与CO₂还原技术耦合的优势与挑战

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DAC技术与CO₂还原技术的耦合具有诸多显著优势。将DAC和CO₂光催化还原、CO₂热催化还原、CO₂电催化还原技术耦合之后，可以使整个工艺环节通过可再生能源驱动，从而实现负碳排放。例如，利用太阳能驱动CO₂光催化还原、CO₂热催化还原、CO₂电催化还原，同时通过DAC精确控制能源转换过程，可以提高能源利用效率，减少对传统化石能源的消耗，从而降低温室气体排放。DAC和CO₂光催化还原、CO₂热催化还原、CO₂电催化还原技术耦合可以绕过碳捕集的再生环节，避免了CO₂吸附剂再生环节的能耗浪费，从而提高整个工艺过程的经济性。在传统的碳捕集技术中，热再生环节需要消耗大量能源，增加了工艺成本，而通过耦合DAC和CO₂光催化还原、CO₂热催化还原、CO₂电催化还原技术，可以实现更高效的能源转换和利用，降低工艺成本。

兼容性也是耦合技术的一大优势。DAC技术可以与CO₂光电热耦合技术进行有效结合，实现协同发展。如前文所述，DAC技术既可以与传统的化工生产过程相结合，为化工产品生产提供CO₂原料；又能与新兴的储能、生物转化、电化学还原等技术耦合，拓展CO₂的利用途径。这种兼容性使得CO₂能够在不同领域得到充分利用，提高了资源的综合利用效率。而且，不同的CO₂利用技术在工艺和条件上具有一定的互补性，通过与DAC技术的耦合，可以实现资源的优化配置和能源的高效利用^[93]。

尽管DAC技术与CO₂利用技术的耦合前景广阔，但目前仍面临诸多挑战，尤其是高成本挑战。DAC技术本身的设备投资、运行能耗以及维护成本均较高，CO₂光催化还原、CO₂热催化还原和CO₂电催化还原技术目前也存在设备投资大，能耗高，运行成本大的问题。将2种技术耦合之后，虽然在部分情景下可降低能耗，但整体能耗仍较高，成本较大。

DAC技术与CO₂光电热转化技术发展不成熟也是制约耦合技术发展的重要因素。DAC和CO₂光催化还原、CO₂热催化还原、CO₂电催化还原利用技术仍处于实验室或示范阶段，尚未实现大规模工业化应用。

技术耦合集成仍面临挑战。DAC和CO₂光催化还原、CO₂电催化还原、CO₂热催化还原技术各自已经过一段时间的独立发展，形成了各具特点的材料、工艺和装备。耦合集成时需解决兼容性问题，确保各环节高效协同，这增加了系统设计和运行的难度。

4　总结与展望

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本文综述了DAC技术耦合CO₂光电热转化技术的主要研究进展，分析了该耦合技术的优势和面临的诸多挑战。成本高、技术不成熟以及耦合集成度低、协同性差等问题限制了其大规模推广应用。以下方面将是未来努力的方向。

1）研发高效、低成本的CO₂吸附/吸收剂、CO₂转化催化剂和器件，提高碳捕集效率和转化效率。聚焦高附加值CO₂转化产物，提高系统经济性。

2）设计优化DAC和CO₂光催化还原、CO₂电催化还原、CO₂热催化还原的技术工艺过程，提高二者兼容度和耦合集成度，优化系统能量利用效率。

3）聚焦太阳能、风能等可再生能源驱动的DAC分别和CO₂光催化还原、CO₂电催化还原、CO₂热催化还原耦合的过程，开发可再生能源驱动的DAC耦合CO₂光电热转化系统，降低过程碳足迹。

未来，随着技术的不断进步和成本降低，DAC技术与CO₂利用技术的耦合有望在多个领域得到广泛应用，助力碳中和目标的实现。

基金

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国家重点研发计划项目(2021YFF0601000)
武汉市科技计划项目(2023020302020572)

参考文献

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文献

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2025年第54卷第6期

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文章信息

doi: 10.19666/j.rlfd.202504034

接收时间：2025-04-02
首发时间：2026-03-05
出版时间：2025-06-25

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收稿日期：2025-04-02

基金

National Key Research and Development Program(2021YFF0601000)

国家重点研发计划项目(2021YFF0601000)

Science and Technology Program of Wuhan(2023020302020572)

武汉市科技计划项目(2023020302020572)

作者信息

^1.华中科技大学煤燃烧与低碳利用全国重点实验室，湖北　武汉　430074

^2.华东电力试验研究院有限公司，上海　200437

通讯作者:

熊卓（1989），男，博士，副教授，主要研究方向为碳捕集与转化利用，zxiong@hust.edu.cn。

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/rlfd/CN/10.19666/j.rlfd.202504034

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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