文章导读
传统碳捕集与转化流程冗长、能耗高，一体化CO₂捕集与转化（ICCC）虽能大幅精简中间环节，但并非天然具备成本优势。研究显示，集成路线CAPEX可降50%，但实际运行仍面临吹扫、氢损耗和热管理新增成本。只有当清洁氢源、材料寿命和工艺集成条件协同满足，ICCC才可能推动可持续航空燃料规模化应用。面对从实验室到工程的多重挑战，双功能材料如何在循环效率与稳定性上给出答案？
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近日，清华大学环境学院赵明副教授团队联合英国克兰菲尔德大学、澳大利亚科廷大学研究团队，围绕一体化二氧化碳捕集与转化（ICCC）及其面向可持续燃料的应用开展系统研究。研究围绕双功能材料设计、吸附与催化协同机制及主要反应路径，进一步将材料稳定性、场景适应性、工艺可行性、绿氢利用、循环热管理和技术经济性纳入统一分析框架，并拓展至绿色甲醇和可持续航空燃料（SAF）等绿色燃料应用领域，系统明确了ICCC相较于传统分离式捕集与转化路线发挥优势的关键条件，以及由材料研究迈向低碳燃料系统面临的主要工程挑战。
传统碳捕集与利用涉及CO2捕集、再生、净化、压缩、运输及后续催化转化，流程较长，能源和设备投入较高。ICCC利用兼具CO2吸附和催化功能的双功能材料（DFM），在同一体系中实现捕集与原位转化，可大幅降低中间过程处理能耗。研究将甲烷化、逆水煤气变换（RWGS）和干重整三条主要路径纳入统一分析框架，指出双功能材料性能取决于吸附位点、催化位点与反应条件的协同，不同反应路径需要匹配相应的材料设计方案。同时，研究系统梳理了此前较少被关注的氢源选择、DFM设计与反应条件之间的关联，表明氢源的纯度、压力、伴生组分和供给稳定性同样会影响材料结构与工艺设计，为ICCC材料与过程协同优化提供了新的研究视角。
图1.不同双功能材料的CO2捕集与转化性能比较
航空业难以依靠直接电气化实现深度脱碳，SAF被认为是未来航空减排的关键路径。在高应用占比情景下，SAF可贡献航空业最高约71%的减排量，对应到2050年的需求约3.9亿吨。面向这一规模化需求，CO2衍生燃料为拓展SAF碳源提供了新的技术选择。该研究梳理了CO2经ICCC转化为C1中间体，并进一步通过费托合成（FT-SPK）或甲醇制航空燃料（MTJ）路线合成SAF的完整技术链，指出ICCC更适合作为SAF生产的上游捕集与转化环节，而非直接制备SAF。当前，基于DFM的ICCC工艺仍处于实验室原理验证或小试试验阶段，规模化应用的关键已由单一材料活性转向长期循环稳定性、真实烟气适应性、H2利用、热管理及与下游燃料合成的衔接。因此，下一阶段评价重点需要由吸附量、转化率等材料指标，进一步拓展至体积生产率、循环时间、吹扫需求、能耗和长期运行稳定性等过程指标，为ICCC由实验室研究走向SAF规模化应用提供更可靠的工程依据。
图2. ICCC衍生C1中间体与下游SAF合成路线的衔接关系
相比单纯以CO2吸附量和转化率评价材料性能，研究进一步从系统层面对ICCC的经济性进行了分析。已有研究表明，通过减少部分设备以及CO2解吸、净化和压缩等环节，集成路线有望降低投资成本（CAPEX）和运行成本（OPEX）。以600 MWe Ca-looping/RWGS系统为例，集成后CAPEX降幅可达50%，CO生产OPEX降幅可达28%。与此同时，研究指出，ICCC并不天然具有成本优势，实际运行还会增加吹扫、气氛切换、氢损耗、热管理和DFM更换等成本，氢价及可再生电力供应也会显著影响整体经济性。因此，只有当节省的CO2处理成本和过程热利用收益能够抵消新增运行负担时，ICCC才可能体现系统优势。
在生命周期层面，研究进一步评估了ICCC面向SAF应用的环境效益。由于目前仍缺乏完整的ICCC-to-SAF全生命周期数据，其减排潜力受到CO2来源、电力结构、H2生产路径、材料寿命、循环损失和下游燃料合成效率等多重因素影响，只有在低碳能源供应和合理过程集成条件下，环境优势才可能充分体现。在此基础上，研究突破以往侧重材料性能或局部过程的评价视角，将ICCC的分析范围拓展至反应器运行、能源输入、燃料合成、经济性和环境效益，并进一步连接DFM设计、SAF规模化生产及气候政策需求，从完整燃料系统层面明确ICCC的应用条件和发展潜力，为其在低碳燃料领域的后续研究和规模化应用提供了重要参考。
本研究表明，ICCC可通过减少部分CO2解吸、净化、压缩和运输环节发挥过程强化优势，但其经济和环境效益仍取决于低碳氢与可再生电力供应、工艺集成与热管理、材料寿命以及下游燃料合成等条件。未来ICCC研究需要从单一材料性能提升进一步转向材料、反应器与燃料系统协同优化。通过提升DFM长期循环稳定性和真实烟气适应性，加强循环反应器、氢利用和热集成设计，并完善技术经济评价、生命周期评价及与下游燃料合成过程的衔接，有望推动ICCC由实验室验证逐步迈向绿色甲醇和可持续航空燃料等低碳燃料领域的规模化应用。
研究以“一体化CO2捕集与转化：以技术经济视角推动双功能材料迈向可持续燃料”（Integrated CO2Capture and Conversion (ICCC): Advancing Dual-Function Materials with Techno-Economic Perspectives for Sustainable Fuels）为题，于7月31日在线发表在《能源与燃烧科学进展》（Progress in Energy and Combustion Science）。
论文共同第一作者为清华大学环境学院2022级博士生苏萨（Suthajini Thiruketheeswaranathan）和2025级博士生王舶帆。论文通讯作者为英国克兰菲尔德大学能源过程系统学院教授爱德华・J・安东尼（Edward J. Anthony），澳大利亚科廷大学土木与机械工程学院阿伦・K・瓦帕拉达迪亚姆（Arun K. Vuppaladadiyam）和清华大学环境学院副教授赵明。
该研究得到了国家自然科学基金面上项目支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.pecs.2026.101303
供稿：环境学院
编辑：李华山
审核：王晓霞
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