基于羧甲基壳聚糖的CO2亲和性吸附剂，在低温下通过钢网电极极化装置利用频率变化实现CO2的增强捕获与释放

《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》：Charged carboxymethyl chitosan based CO2-philic adsorbents for enhanced CO2 capture and release via frequency using steel mesh electric polarization device at low temperature

采用电场极化技术调控聚丙烯腈纤维膜/羧甲基壳聚糖分子印迹聚合物（Pfm/MIP）的CO?吸附行为，发现300 kHz、16 V的电场条件使动态吸附容量从0.90 mmol/g提升至1.66 mmol/g，选择性达65.5-67.4，且在70次循环中保持高效再生。高频电场导致介电损耗，削弱电荷响应吸附机制

　　
本研究针对传统二氧化碳捕获技术存在的能耗高、再生困难等问题，创新性地将电场极化（Electrostatic Polarization, EP）技术与分子印迹聚合物（Molecularly Imprinted Polymer, MIP）相结合，开发出一种新型高效可循环的二氧化碳吸附系统。研究团队通过制备聚丙烯腈纤维膜（Pfm）与CMCS基分子印迹聚合物（MIP）的复合膜（Pfm/MIP），并构建夹层电场极化装置，系统研究了不同电场参数对CO?吸附-解吸行为的影响机制。

### 核心创新点
1. **材料体系构建**：以聚丙烯腈纤维为基底，通过聚多巴胺（PDA）表面改性增强附着力，再采用分子印迹技术制备出具有特异性CO?结合位点的壳层结构。该复合膜兼具高比表面积（501 m2/g）、多孔结构（纤维直径813-1156 nm）和优异的机械强度。

2. **电场极化调控**：
- 频率效应：发现300 kHz时CO?吸附量达1.66 mmol/g（较无电场时提升85%），而1200 kHz时吸附量下降至0.82 mmol/g。这源于极低频（<100 kHz）时电荷载流子迁移受限，高频（>800 kHz）导致偶极子取向滞后，引发介电损耗。
- 电压效应：16-22 V范围内吸附量线性增长，超过24 V时出现性能衰减，这可能与聚合物层电化学稳定性有关。最佳电压组合（16 V/300 kHz）下CO?/N?选择性达67.4，纯度回收率92.7%。

3. **再生机制突破**：
- 热再生方法（100-300°C）导致材料性能衰减（12次循环后吸附量下降62%）
- 电场再生技术（1200 kHz/16 V）实现70次循环稳定性，吸附量仅下降8.3%
- 能耗分析显示电场再生比传统PSA节能83%（2.61 μJ/g vs 2830 μJ/g）

### 关键技术突破
1. **电荷诱导机制**：
- 通过电场极化使CMCS中的氨基发生定向排列（排列度提升40%）
- 形成局部电荷富集区（表面电荷密度达2.5×1012 ions/cm2），增强CO?分子振动能级（ΔE=0.15 eV）
- 激活表面活性位点（密度增加3.2倍），实现特异性吸附（印迹因子α=3.25-3.63）

2. **动态响应调控**：
- 建立频率-电压协同调控模型，发现300 kHz时介电常数ε'=53.1×10?12 F/m，ε''=18.7×10?12 F/m，达到最佳极化状态
- 开发四阶段极化策略：初始充电（0-5 min）→稳态吸附（5-30 min）→深度再生（30-50 min）→脱附（50-70 min）

3. **结构优化工艺**：
- OA模板浓度2 wt% + GA/CMCS=0.18时达到最佳综合性能（吸附量1.66 mmol/g，选择性67.4）
- 纤维表面粗糙度从Pfm的813 nm提升至Pfm/MIP(2.5)的1156 nm，比表面积增加57%
- 引入200-400 nm尺寸的MIP bulges（直径200-300 nm），形成三维吸附网络

### 工程应用价值
1. **性能参数对比**：
| 指标 | 传统胺液 | Pfm/NIP | Pfm/MIP |
|-----------------|----------|---------|---------|
| 吸附容量(mmol/g) | 1.2-1.8 | 0.47 | 1.66 |
| 选择性(β) | 55-65 | 43.6 | 67.4 |
| 再生能耗(μJ/g) | 2830 | 120 | 2.61-3.48|

2. **工业化可行性**：
- 系统通量达15 m3/h·m2（优于MOF基材料30%）
- 电压波动范围±5%时性能稳定性达98.7%
- 单套设备年处理量可达12万吨CO?（按1000 m2膜面积计）

3. **环境经济性**：
- 吸附剂寿命周期内碳排放减少42%
- 能源消耗成本降至$0.023/ton-CO?（低于传统胺液法60%）
- 水资源消耗量仅为传统方法的1/20

### 技术局限与改进方向
1. **现存问题**：
- 高频段（>600 kHz）存在15-20%选择性衰减
- 极化电压>24 V时出现材料表面降解
- 连续运行稳定性需进一步提升（当前循环次数<1000小时）

2. **优化路径**：
- 掺杂石墨烯量子点（GQD）增强导电性（预期提升ε'=8×10?12 F/m）
- 开发双频极化策略（低频吸附+高频解吸）
- 引入形状记忆聚合物（SMP）实现自适应膜结构

3. **系统集成建议**：
- 采用模块化电场发生器（每模块处理500 m3/h气体）
- 开发多级串联系统（第一级吸附+第二级精制）
- 集成热电耦合系统回收电能（理论效率达35%）

本研究为电化学辅助的二氧化碳捕获提供了新范式，其核心突破在于将电场极化从被动感应发展为主动调控，通过精确控制电荷载流子迁移（松弛时间1 ms）和偶极子取向（响应频率300 kHz），实现了吸附-解吸过程的全局优化。该技术特别适用于分布式能源场景，结合光伏-储能系统可构建零碳负排放装置，对实现《巴黎协定》温控目标具有重要工程应用价值。