阿卜杜勒拉希姆·易卜拉欣（Abdulrahim Ibrahim）| 穆罕默德·伊姆兰-肖卡特（Muhammad Imran–Shaukat）| 刘斌（Bin Liu）| 肖敏（Min Xiao）| 高红霞（Hongxia Gao）| 梁志武（Zhiwu Liang）| 帕伊图恩·通蒂瓦楚维图库尔（Paitoon Tontiwachwuthikul）| 特拉瓦特·塞马（Teerawat Sema）
**泰国曼谷帕图姆万朱拉隆功大学理学院石油化学与聚合物科学项目**
**摘要**
富含二氧化碳的胺类吸收剂的再生仍然是燃烧后碳捕获中的一个重要瓶颈，因为传统的热脱附方法需要大量的能量，尤其是基于单乙醇胺（MEA）的系统，这些系统目前是工业上的标准。固体酸催化剂（SACs）作为一种有前景的材料出现，能够降低能量需求，同时提高二氧化碳的脱附速率。然而，对于SACs的物理化学性质对二氧化碳脱附机制和性能影响的全面理解仍然有限。本文通过系统地研究关键SACs物理化学性质（包括总酸度、酸强度、布伦斯特/路易斯（B/L）位点比例、表面积、孔体积和孔径）在控制二氧化碳脱附机制中的作用，来填补这一空白。利用Scopus和Google Scholar等科学数据库进行了严格的文献调查，以确定在指定时间范围（2017-2025年）内发表的相关同行评审研究。讨论了六类SACs，包括金属氧化物、粘土矿物、分子筛、富碳材料、有机框架和复合材料，从它们的酸功能性和结构属性方面进行了分析。特别强调了涉及AmineCOO−分解和AmineH+脱质子化途径的催化机制。比较数据显示，与无催化剂系统相比，SACs将RHD降低了10-57%。研究结果表明，催化剂的性能取决于酸位点的可用性和强度、B/L比例、介孔表面积以及大孔分布。未来的研究应优先考虑具有改进酸度、孔隙率和循环条件下稳定性的混合SACs，以实现可持续的工业应用。
**引言**
多个行业，包括石化、水泥、铝和钢铁以及其他基于化学的工业过程，都与大量的二氧化碳（CO2）排放有关[1]、[2]。燃煤热电厂是全球CO2排放的主要来源，约占全球CO2排放量的40%[3]。这些排放导致大气中的CO2浓度升高到416 ppm，并增加了全球气温[4]。2015年，194个国家的代表签署了《巴黎协定》，旨在将本世纪的全球变暖限制在比工业化前水平高出2°C以内，目标为1.5°C[5]。为此，大约95%的燃煤电厂和40%的燃气电厂需要安装CO2捕获系统[6]。碳捕获、利用和储存（CCUS）是一种已建立的技术，可以在短期内实现减少CO2排放的目标[7]。燃烧前、燃烧后和氧燃料燃烧是CCUS中的主要碳捕获技术[8]。由于燃烧后碳捕获与现有电厂的兼容性以及能够处理大量废气流，因此燃烧后碳捕获最为普遍[9]。化学吸收、吸附、膜分离和低温蒸馏是燃烧后碳捕获中应用的主要技术[10]、[11]。在这些技术中，基于胺的化学吸收应用最为广泛，因为它成熟、可靠且易于集成[12]。单乙醇胺（MEA）因其广泛的应用、快速反应、高吸收能力[13]、商业可用性、低成本[14]以及经过试点规模验证[15]，而被广泛用作基于胺的吸收剂的基准。然而，其广泛应用受到高再生能量需求（3.6-4.2 GJ/t CO2）的阻碍，这占总运营成本的70-80%，因为需要在120-140°C下加热[16]。在CO2吸收过程中形成稳定的氨基甲酸盐（AmineCOO−）、碳酸氢盐（HCO3−）和质子化胺（AmineH+）是主要原因[17]。为了再生胺类吸收剂，需要大量的能量来进行从AmineH⁺到H₂O的热力学不利质子转移，这是由于胺的碱性较强，以及AmineCOO⁻中的N–C键断裂高度吸热[18]。除了增加成本外，更高的能量消耗还会加速吸收剂的降解和设备腐蚀[19]。吸收剂的再生需要三种类型的热量输入：显热、潜热和脱附热[20]。显热用于提高胺溶液的温度，脱附热用于CO2脱附的吸热过程[21]，潜热用于水蒸发并达到典型的胺再生温度120-140°C[13]、[1]。即使经过工艺优化，用于再生水性胺类吸收剂的能量中也有超过一半消耗在CO2脱附上[22]。为了减少这种能量消耗，引入了多种方法，如混合胺类吸收剂[23]、相变吸收剂[24]、非水性吸收剂[25]、催化再生[26]、[27]、[28]，以及通过复杂的加热、传质促进和催化剂再生相结合的工艺优化[29]、[30]。胺类吸收剂的催化再生是一种创新方法，通过提高CO2脱附速率并使再生温度低于100°C（远低于典型再生温度[31]），从而使基于吸收的碳捕获技术更加节能。固体酸催化剂（SACs）作为一种异相催化剂，已经显示出通过促进CO2脱附、减少热负荷并使吸收过程克服传统再生方法的限制来增强吸收剂再生的潜力[1]、[20]、[32]。路易斯酸位点（LASs）和布伦斯特酸位点（BASs）的可用性使SACs能够在氨基甲酸盐分解过程中提供质子，从而显著提高CO2脱附[33]。已经研究了多种SACs，并通常将其分类为：金属氧化物[34]、粘土矿物[35]、分子筛[36]、[37]、富碳材料[38]、有机框架[39]和复合材料[26]。在80-100°C的温度范围内进行连续的循环吸收-脱附循环后，研究了SACs的耐久性、循环稳定性和可重复使用性[28]、[40]。总体而言，金属氧化物[41]、粘土[42]、分子筛[43]和富碳材料[44]在5-10个循环后仍保持高达90%的活性，显示出结构和活性位点的稳定性[45]、[46]。相比之下，MOFs在3-10个循环后表现出更快的失活（约17%的损失）[33]，这是由于框架不稳定和金属浸出[30]。然而，负载氧化物的复合材料在5-50个循环后表现出80-90%的改进耐久性，这归因于更强的金属-载体相互作用[8]、[27]、[47]、[48]。这些发现表明，大多数SACs具有出色的循环稳定性，能够满足工业操作的要求。为了总结使用SACs进行催化再生的广泛研究，已经发表了多篇综述文章[1]、[4]、[5]、[9]、[21]、[32]、[49]。这些综述文章主要概述了不同类型SACs的应用、它们的物理化学特性以及之前报道的CO2脱附机制的简要概述。然而，仍需要系统地分析关键催化剂特性（酸位点类型、酸强度分布和孔结构）在CO2脱附过程中的作用。据我们所知，尚未有关于SACs的物理化学特性及其与胺类吸收剂再生过程中CO2脱附机制关系的关键综述。本研究旨在通过提供催化剂关键特性与CO2脱附过程之间的机制洞察来填补这些空白。本文系统地总结了2017-2025年间报道的不同胺类及其混合物的催化CO2脱附机制。通过Scopus、Web of Science、Science Direct和Google Scholar等主要科学数据库来源，选择了指定时间范围内发表的相关研究进行系统评估。本综述涵盖了水性胺类的原始再生和催化再生，包括初级、二级、三级和混合胺类。重点讨论了SACs的物理化学特性、催化性能及其在CO2脱附机制中的作用。还包括了之前报道的几种水性胺类的CO2吸收机制的概述。
**部分摘录**
**CO2吸收**
水性胺类上的CO2吸收通过一系列化学反应发生，形成以下产物：氨基甲酸盐（AmineCOO−）、质子化胺（AmineH+）、碳酸氢盐（HCO3−）和/或碳酸盐（CO32−）[50]。反应途径很大程度上取决于胺的类型，胺被分类为初级、二级和空间受阻胺[51]。文献中提出了三种水性胺类吸收剂的CO2吸收机制，即两性离子机制[52]。
**催化CO2脱附**
为了降低CO2脱附的再生能量，将催化剂引入到基准的30 wt.% MEA–CO2负载系统中。这种方法将再生温度从120–140°C降低到90–95°C[32]。在CO2脱附中使用了两种主要类型的催化剂，即均相催化剂和异相催化剂[4]。均相催化剂包括天然存在的酶，如碳酸酐酶及其衍生物，它们与胺–CO2–负载溶液处于同一相[31]。
**SACs的化学特性对CO2脱附机制的影响**
通常使用一些参数来评估催化剂与非催化剂系统的性能，包括CO2脱附容量、CO2脱附速率、脱附的CO2量、热负荷（HD）和相对热负荷（RHD）等[19]。由于这些性能指标受到催化剂特性的显著影响，包括总酸位点、酸类型和强度[82]，因此这些指标特别相关。由于相对热负荷是能量效率的直接衡量标准，因此它对于...
**催化剂物理特性对CO2脱附机制的影响**
除了化学特性外，研究表明，早先讨论的催化剂性能指标还受到物理特性的影响，如表面积、孔体积和孔径分布[37]。虽然化学特性主要增强质子转移和酸碱相互作用，但物理特性控制着CO2在催化剂结构内的可及性和传质扩散，从而促进高效的脱附过程[103]。
**催化CO2脱附机制的类型**
已经报道了几种不同的胺类吸收剂再生中的催化CO2脱附机制。根据不同的SAC类别及其结构和酸性特性，提出了不同的机制途径。所有途径都涉及通过质子化和质子化胺的脱质子化来分解AmineCOO−。此外，某些SAC（例如HZSM–5和SO42–/ZrO2）可以根据其...
**SACs的有效利用**
已经确定SACs的有效利用是一种有前景的策略，可以增强CO2脱附性能。然而，发现各种物理化学性质会影响催化性能。因此，为胺类吸收剂再生选择SACs时需要合理的标准。基于催化剂性质与再生性能之间的已知相关性，可以确定几个关键标准。
**SACs的耐久性和工艺集成挑战**
SACs显著的循环耐久性使它们成为工业应用的强大候选者，因为多项研究表明，在80-100°C的再生温度下，它们的性能保留率达到了80-95%[19]、[41]。特别是金属氧化物和分子筛表现出异常的稳定性；然而，它们的硫化变体，如SO42–/ZrO2和MCM–41–SO3H，由于硫浸出而表现出相对的性能损失[37]、[41]。
**结论**
本文批判性地回顾了基于胺的系统（特别是MEA）中的催化CO2脱附机制，重点讨论了SACs在提高CO2脱附速率和降低再生热负荷方面的作用。讨论了关键的机制途径，包括AmineCOO−分解和通过布伦斯特/路易斯酸位点的协同作用和强度、表面积介导的质子转移，以及孔结构的影响。还概述了之前报道的几种水性胺类的CO2吸收机制。
**致谢**
本研究得到了Ratchadapisek Somphot Endowment Fund（RCU_69_014_2300_004）的支持。作者还要感谢朱拉隆功大学理学院的支持。
