研究人员针对化石燃料燃烧及工业过程排放中二氧化碳（CO₂）的高效捕集需求，系统综述了化学吸收法所用吸收剂的研发进展。研究首先分析了单一组分吸收剂的性能特征：醇胺类（如单乙醇胺MEA、二乙醇胺DEA、哌嗪PZ）因反应动力学快被广泛应用，但存在再生能耗高、腐蚀性强及降解损失等问题；氨水（NH₃(aq)）具有低再生温度优势，却受限于高挥发性导致的溶剂损失；碱金属氢氧化物（如KOH、NaOH）及碳酸盐（如K₂CO₃、Na₂CO₃）虽成本低，但吸收速率慢且易形成沉淀堵塞设备；离子液体（ILs）具备低蒸气压特性，但高黏度制约传质效率。在此基础上，研究重点探讨了两类及以上吸收剂形成的混合体系（Hybrid absorbents）的协同机制。通过构建“动力学促进-反应缓冲-容量耦合-传质调控”四类作用模式，阐明混合体系可突破单一吸收剂的理论极限：例如PZ与MDEA（N-甲基二乙醇胺）复配时，PZ作为动力学促进剂加速CO₂反应速率，MDEA作为质子受体提升负载量；氨基酸盐（AAS）与碳酸盐结合则通过抑制沉淀改善稳定性。研究人员进一步通过实验数据对比指出，优化配比的混合吸收剂（如MEA+MDEA+PZ三元体系）可实现吸收容量提升121.5%、再生能耗降低49.9%的效果，同时显著降低设备腐蚀率。最后，研究分析了混合体系工业化应用的挑战，包括高黏度导致的传质阻力、热/氧化降解机理不明确及成本控制问题，并提出未来需结合分子模拟与工艺集成开发兼具高效、低耗与环境友好特性的新一代吸收剂。
2. 单一化学吸收剂
2.1 醇胺类吸收剂
研究人员指出醇胺类是当前工业应用最成熟的CO₂吸收剂，其反应机理遵循两性离子机制（Zwitterion mechanism）或项基化机制（Termolecular mechanism）。伯胺（如MEA）与CO₂反应生成稳定氨基甲酸酯（Carbamate），理论最大负载量为0.5 mol CO₂/mol N，但再生需高温（>120°C）导致能耗达3.99–4.04 MJ/kg CO₂。仲胺（如DEA）反应速率次之，叔胺（如MDEA）虽反应动力学慢，但通过碳酸氢盐（HCO₃⁻）路径实现更高负载潜力。空间位阻胺（如2-氨基-2-甲基-1-丙醇AMP）因分子结构阻碍氨基甲酸酯稳定，促进碳酸氢盐生成，从而降低再生热。哌嗪（PZ）作为环状二元胺，凭借双活性位点及高质子接受能力，常作为促进剂（Promoter）添加于其他醇胺中以提升整体动力学性能。
2.2 离子液体（ILs）
离子液体因其近零蒸气压和可设计性成为研究热点。研究人员发现咪唑类ILs（如[C₆mim][PF₆]）通过物理溶解作用捕集CO₂，但纯ILs吸收容量普遍低于0.2 mol CO₂/mol IL。功能化ILs（如引入氨基的[Apim][BF₄]）可通过化学键合提升容量至0.65 mol/mol，然而高黏度（>100 cP）显著削弱气液传质系数（kG），限制实际应用。
2.3 氨基酸盐（AAS）
AAS作为环境友好型吸收剂，其阴离子（如甘氨酸根Gly⁻、脯氨酸根Pro⁻）与CO₂反应生成氨基甲酸酯。钾盐型AAS（如KGly、KPro）在水溶液中解离出K⁺，增强离子强度并提升CO₂溶解度。但高负载下易析出固体沉淀（如KHCO₃），导致管道堵塞。研究表明AAS的再生能耗介于醇胺与氨水之间，约为2.5–3.5 MJ/kg CO₂。
2.4 氢氧化物
氢氧化钠（NaOH）及氢氧化钾（KOH）溶液通过酸碱中和反应快速吸收CO₂，生成碳酸盐（CO₃²⁻）及碳酸氢盐。该过程放热剧烈，需严格控制进料浓度以避免局部过热。KOH因碱性更强，吸收速率较NaOH高约30%，但两者均对碳钢设备造成严重腐蚀，且再生需消耗大量热能分解碳酸盐。
2.5 碳酸盐
碳酸钾（K₂CO₃）及碳酸钠（Na₂CO₃）通过可逆反应捕集CO₂，其优势在于溶剂成本低廉且降解产物无毒。加速石灰岩风化（AWL）技术利用天然CaCO₃与烟气中CO₂反应生成可溶性Ca(HCO₃)₂，但50%的被捕集CO₂可能重新释放至大气。研究指出碳酸盐体系需在50–70°C操作以实现最佳吸收-再生循环。
2.6 氨水
氨水吸收CO₂主要生成碳酸铵（(NH₄)₂CO₃）及碳酸氢铵（NH₄HCO₃），其再生温度（80–100°C）显著低于醇胺类。然而氨的高挥发性（Henry常数约0.02 mol/L·kPa）导致溶剂逃逸损失率达5–10%，需增设洗涤塔回收逸散氨气。
3. 混合化学吸收剂
3.1 醇胺+醇胺
研究人员证实多元醇胺复配可产生协同效应。MEA与MDEA+PZ组成的三元体系（总浓度6 M）在40°C、PCO₂=15.1 kPa条件下，吸收速率提升20–300%，循环容量增加27.7–121.5%，再生能耗降低15.2–49.9%。机理分析表明PZ作为动力学促进剂加速两性离子去质子化，MDEA提供质子缓冲容量，MEA维持基础反应速率。此外，六亚甲基二胺（HMDA）与二甲氨基乙醇（DMAE）复配可使吸收容量达0.64 mol/mol，较MEA提高223.2%。
3.2 醇胺+离子液体
将ILs引入醇胺体系旨在平衡反应活性与传质性能。30 wt.% MDEA中添加10 wt.% [bmim][OTf]（1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐）可使CO₂溶解度提升19.6%，归因于三氟甲磺酸根阴离子（CF₃SO₃⁻）与CO₂的路易斯酸碱相互作用。但ILs浓度超过15 wt.%时，溶液黏度急剧上升导致kG下降38.8%。MEA与[Bpy][NO₃]（N-丁基吡啶硝酸盐）复配可将再生能耗降至2.88 MJ/kg CO₂，降幅达34.2%。
3.3 醇胺+氨基酸盐
AMP与KPr复配体系在高压（3000 kPa）下吸收容量达5.00 mol CO₂/mol，较单一KPr提升67.7%。机理研究显示AMP的空间位阻抑制氨基甲酸酯稳定，促使反应向碳酸氢盐路径转移，同时AAS提供快速初始捕获能力。PZ与KGly组合则通过PZ的双活性位点催化KPr水解，使循环容量提升至0.85 mol CO₂/L。
3.4 醇胺+碳酸盐
PZ活化K₂CO₃体系通过“穿梭机制”运作：PZ在气液界面快速捕获CO₂生成PZ-COO⁻，随后将CO₂转移至液相主体中缓慢反应的K₂CO₃。该体系在90°C下吸收速率较纯K₂CO₃提高116–196%，但PZ在高温富氧环境下降解率增加50%。
3.5 其他混合体系
氨水与ILs复配（如[EtOHMim][BF₄]+NH₃）可减少氨挥发损失25%；AAS与碳酸盐组合（如KGly+K₂CO₃）通过抑制沉淀使吸收效率提升159%；氢氧化物与碳酸盐协同（Ca(OH)₂+CaCO₃）在AWL工艺中提升矿物碳化率69.9%。
4. 混合吸收剂协同机制
研究人员归纳四类核心机制：（i）动力学促进：快反应组分（PZ、MEA）降低活化能；（ii）反应缓冲：质子受体（叔胺、OH⁻）维持pH稳定；（iii）容量耦合：氨基甲酸酯与碳酸氢盐路径并行突破0.5 mol/mol理论极限；（iv）传质调控：优化黏度与表面张力提升kG。其中动力学促进与容量耦合的组合（如PZ+MDEA）表现最稳定，而单纯依赖ILs稀释的体系常因黏度剧增导致性能下降。
5. 工业化挑战与展望
当前混合吸收剂面临三大瓶颈：高黏度引发传质阻力、热/氧化降解路径不明、初始投资成本高昂。未来研究需聚焦于：（1）开发低共熔溶剂（DESs）替代高成本ILs；（2）利用原位光谱技术实时监测反应中间体；（3）结合工艺模拟优化吸收-再生系统集成。研究人员强调，下一代吸收剂应同时满足CO₂捕集率>90%、再生能耗<2.5 MJ/kg、降解率<5%/年的综合指标。
