用于直接空气捕获的电动纤维吸附剂设计：采用电驱动的温度真空摆动吸附技术

《Advanced Materials》：Design of Electrified Fiber Sorbents for Direct Air Capture with Electrically-Driven Temperature Vacuum Swing Adsorption

本文提出了一种通过电纤维吸附剂（e-fiber）实现高效再生的新型直接空气捕获（DAC）技术。通过干-湿淬火纺丝和银纳米复合涂层工艺，制备出具有超薄多孔导电层（厚度<3μm）的e-fiber材料，其电阻低至0.5Ω/cm。实验表明，在3V电压下，e-fiber模块可在80秒内将温度升至110°C，实现快速脱附。经过多次循环测试，材料在干态和湿态条件下的CO?吸附容量保持率分别达95%和88%，并验证了热传导模拟的有效性，为规模化DAC系统设计提供了理论支持。

　　本研究提出了一种基于电加热的新型纤维吸附剂设计，旨在提升直接空气捕集（DAC）系统的再生效率。DAC作为一种实现“负排放”的关键技术，近年来受到了广泛的关注，因为它能够从空气中高效捕集二氧化碳（CO?），而传统的碳捕集与封存（CCS）技术通常无法实现这一目标。然而，DAC在经济性和能耗方面仍面临挑战，特别是在再生过程中需要大量的能量。为了解决这一问题，本研究引入了一种名为“电纤维吸附剂”（e-fiber）的新材料，它结合了电加热和吸附过程，以实现更高效的温度-真空吸附（TVSA）再生机制。

电纤维吸附剂的设计基于一种称为“浸渍涂层法”的技术，通过将银（Ag）纳米复合物涂覆在多孔聚合物基质的表面，从而形成一层具有高导电性且极薄的结构。这一结构不仅降低了吸附剂表面的扩散阻力，还显著提升了电导率，使得电加热过程能够迅速有效地将热量传递至吸附剂层。实验表明，当在3伏电压下对模块施加电流时，电纤维吸附剂能够在80秒内达到110°C的脱附温度。同时，这种材料在多次循环后仍能保持95%的CO?吸附能力，显示出良好的再生稳定性。

在DAC系统中，吸附剂的再生过程通常需要较高的温度和能耗，尤其是在传统液体溶剂捕集系统中，高温蒸气或燃烧气体用于加热整个系统，这使得能耗高达整个DAC过程的46%-72%。相比之下，电加热技术由于能够直接将电能转化为热能，具有更高的能量转换效率。此外，电加热还能够实现更快速的加热速率和更均匀的热量分布，从而减少热能浪费，提高整体系统效率。电纤维吸附剂的引入为DAC提供了一种更节能的解决方案，尤其是在未来可再生能源将成为主要电力来源的情况下，这种技术将更具应用前景。

本研究还探讨了电纤维吸附剂的合成过程。通过干湿纺丝技术制造含有Y型沸石的纤维吸附剂，随后对纤维表面进行紫外线臭氧（UVO）处理，以增强其与银纳米复合物的结合能力。UVO处理不仅改变了纤维表面的化学性质，还提高了其亲水性，从而增强了纤维与吸附材料之间的界面相互作用。为了进一步优化吸附性能，研究者在沸石孔隙中引入了乙二胺（EDA），这种物质能够有效增强CO?的吸附能力，并提升吸附剂在潮湿环境下的稳定性。此外，通过实验和模拟手段，研究者评估了不同纤维数量对系统压力降和热效率的影响，发现当纤维数量为13时，系统能够实现最佳的热传递和吸附性能，同时保持较低的压降。

为了进一步验证电纤维吸附剂的性能，研究团队构建了一个实验系统，并对其进行了多次吸附和脱附循环测试。在模拟空气中，CO?的捕集效率稳定在约0.39 mmol/g纤维的水平，且在多次循环后仍能保持较高的容量。此外，通过热成像和温度曲线分析，研究者发现电纤维吸附剂在加热过程中能够实现均匀的温度分布，这对于确保高效的再生过程至关重要。相比之下，当纤维数量过多时，系统内部的热损失增加，导致脱附效率下降。因此，优化纤维数量和模块设计是提升DAC系统性能的关键。

研究还通过有限元模拟（COMSOL Multiphysics）对电加热过程中的热传递机制进行了深入分析。模拟结果表明，电纤维吸附剂模块的热传递主要依赖于导热、对流和辐射三种方式。其中，导热是主要的热量传递途径，而对流和辐射则在模块外部起到散热作用。通过调整纤维的结构和材料特性，研究者能够优化热传递路径，减少不必要的热损失。例如，使用热导率较低的聚四氟乙烯（Teflon）作为模块材料，可以有效隔离热能，减少对环境的热辐射，从而提高整体热利用效率。

此外，研究还比较了电加热与传统加热方式在DAC中的适用性。传统的TVSA过程依赖于外部热源，如高温蒸汽或燃烧气体，这不仅增加了能耗，还可能带来环境污染问题。而电加热则能够通过可再生能源实现低碳、高效的操作模式，这在未来的可持续发展路径中具有重要价值。研究团队通过实验和模拟数据，证明了电纤维吸附剂在低能耗、高效率方面的优势，特别是在处理低浓度CO?（当前约为423 ppm）和高湿度环境时。

在实际应用中，电纤维吸附剂模块具有良好的可扩展性和灵活性。通过控制纤维的涂层厚度和结构，可以进一步优化其吸附性能和热传递效率。同时，研究还指出，材料的选择和模块设计对于DAC系统的长期稳定运行至关重要。例如，使用热导率较低的材料作为模块外壳，能够减少热能损失，从而提高系统的整体效率。此外，纤维的直径和排列方式也会影响系统的压力降和吸附效率，因此在设计时需要综合考虑这些因素。

研究团队还探讨了不同能源供应模式对DAC系统能量消耗的影响。例如，在使用光伏或风能等可再生能源时，由于其较高的电能转化效率，系统的有效能耗显著降低。而在使用化石燃料或核能时，由于热能转化为电能的过程中存在较大的能量损失，系统的整体能耗相对较高。因此，将电加热技术与可再生能源结合，是实现DAC可持续发展的关键。

总的来说，本研究通过实验和模拟手段，开发了一种具有高效热传递性能的电纤维吸附剂模块，为DAC技术的进一步优化提供了新的思路。这种材料不仅能够显著降低能耗，还能在多种环境下保持稳定的吸附性能，同时具备良好的可扩展性和工程化潜力。未来，随着可再生能源的普及和DAC技术的成熟，电加热驱动的TVSA系统有望成为实现负排放的重要手段之一。