研究方向一：镁基固体吸附剂CO₂捕集

图1 MgO基吸附剂CO₂捕集原理

    利用固体无机盐吸收剂捕集CO₂具有吸附容量高、吸附性能稳定、适用温度区间宽广、易再生和吸附速率较快等特点。中温MgO吸收剂捕集CO₂工艺具有较高的理论吸附能力(1.1 gCO₂/g吸收剂)、MgO丰度大和CO₂吸/脱附循环稳定性强等潜在优势，在烟气CO₂捕集中具有较好的应用前景。

图2 MgO吸附剂CO₂吸附活性差的原因

尽管MgO具有比表面积高、孔体积大和理论吸附容量高等优势，其实际吸附性能受限于MgO的微观结构特性。商业MgO吸收剂碱性位点密度低，其常温吸附量仅为0.5 mmol CO₂/g。MgO转变为MgCO₃的碳酸化反应过程受动力学控制，且其内在的高晶格能限制了MgO与CO₂的碳酸化反应速率。此外，MgO发生碳酸化反应后形成致密的MgCO₃产物层，包覆内核MgO活性组分并阻碍CO₂扩散吸附，导致其吸附性能呈现衰退趋势。与此同时，MgO吸附剂在再生过程中易发生颗粒攒聚，导致其比表面积、孔体积和活性位点衰减，同样会损害其CO₂吸附能力和反应速率。综上所述，吸附能力和反应速率受限是MgO吸附剂所面临的关键问题。因此，如何有效提高MgO吸附容量和反应速率至关重要。

    本课题提出了微观结构和表面活性位点调控策略，强化MgO吸附剂CO₂吸附性能。基于前驱体和载体材料筛选、合成方法优化及碱金属熔盐修饰，突破了其CO₂吸附容量和反应速率受限于其结构特性和内在高晶格能的壁垒，构建了其CO₂吸附“构效关系”，阐明了上述因素对其“构效关系”的影响机制，构筑了CO₂吸附反应动力学模型，明晰了其碳酸化反应动力学机理和CO₂动态吸附传质动力学机制。

图3 代表性工作成果：合成方法对MgO吸附剂的微观结构和CO₂吸附性能的影响机制

阐明了合成方法对MgO吸附剂的CO₂吸附“构效关系”的影响机制。以固态化学反应法制备的样品表面碱性活性位点密度高，且分布均匀，其表面的弱、中和强碱性活性位点与CO₂分子作用形成碳酸氢盐、双齿碳酸盐和单齿碳酸盐。MgO吸附剂表面碱性位点密度及其分布特性依赖于煅烧条件。在CO₂气氛下中温(500^oC)煅烧的MgO吸附剂平均晶粒尺寸小，碱性活性位点密度高，表面活性位点多为强碱性O^2-位点，易与CO₂结合形成单齿碳酸盐构型。

研究成果：主持国家级课题1项，发表SCI收录论文17篇，申请发明专利4件。

应用场景：燃煤、钢铁、化工、水泥行业烟气CO₂捕集。

研究方向二：CO₂捕集-转化一体化技术

图1 烟气CO₂捕集的商用技术及极具应用前景的新技术

现有CCUS工艺从烟气中分离CO₂、压缩输运至指定场所进行封存或转化利用，捕集与利用过程相互独立，CO₂压缩能耗高，输运管道投资成本高，输运过程泄漏风险大，CO₂捕集与利用双重能耗高。

图2 碱基双功能材料的构成及ICCU运行原理

CO₂捕集-转化一体化(ICCU)技术利用一种兼具CO₂吸附和催化活性的碱基双功能材料，在同一套装置内，直接利用烟气余热，在等温等压条件下实现CO₂捕集与原位转化制取增值产品。该技术可CO₂捕集与转化工艺集成，规避了传统捕集技术的频繁变温/变压操作，大幅降低了捕集-转化能耗，规避了输运过程中的泄漏风险，同时可利用“绿氢”等还原介质将CO₂原位转化为增值品，可实现储能。

ICCU过程的核心是以催化转化过程替代传统变温变压吸附再生过程。燃烧烟气中CO₂在吸附催化双功能材料中的碱基吸附组分作用下被捕获形成碳酸盐，所形成的碳酸盐在可再生能源产生的“绿氢”或工业尾气和生物气中的CH₄等还原介质的作用下原位再生产生增值产品。依据捕集后CO₂解吸-原位转化原理的不同，ICCU路径可分为选择性加氢催化原位转化和烷烃原位转化。其中，选择性加氢催化原位转化包括ICCU-甲烷化和ICCU-RWGS (逆水煤气变换)，烷烃原位转化包括ICCU-DRM (甲烷干重整)和ICCU-ODH (烷烃氧化脱氢)。

图3 代表性工作成果：酸处理与过渡金属氧化物掺杂构筑Ni-CaO双功能材料及其ICCU性能

以电石渣作为钙源前驱体，采用水洗、丙酸酸化和丙酸酸化-柠檬酸络合法构筑了Ni-CaO双功能材料用于ICCC-RWGS制合成气，发现丙酸酸化-柠檬酸络合对材料孔隙结构重构、Ni活性组分的稳定锚定和均匀分布及其CO₂吸附-催化性能具有促进和强化作用。采用金属氧化物掺杂的结构调控策略提升Ni-CaO双功能材料的ICCC-RWGS反应性能，阐明了单一和二元金属氧化物掺杂对材料表面碱性位点、活性组分间的界面作用和分布特性的影响规律及其CO₂吸附-催化性能的强化机理。Ni-CaO-6Zr-6Ce双功能材料在650oC，10%CO₂和35%H₂气氛下的CO₂捕集容量、CO产量和CO₂转化率分别可达11.88 mmol CO₂/g、8.57 mmol CO/g和72.1%，12次循环衰减率仅为12.0%，显示出优异的循环稳定性。

研究成果：主持省级课题1项，发表SCI收录论文逾15篇，申请发明专利3件。

应用场景：燃煤、钢铁、化工、水泥行业非纯净烟气直接捕集与转化；空气捕集与转化。

研究方向三：CO₂电催化还原制增值品

图1 可再生能源驱动CO₂电催化还原制增值品基本原理

利用太阳能、风能等间歇式能源产生的可再生电力将CO₂转化为具有高附加值的燃料或化学品，既可实现CO₂减排和C1资源高效利用，同时可实现可再生能源的稳定存储，具有显著的社会经济效益和环境意义。

CO₂电化学还原过程涉及多电子和质子迁移，其还原产物纷繁复杂。在众多产物中，醇类产品是未来能源的重要载体，也是化工合成的重要中间体，因而备受关注。当前，CO₂电催化还原制醇类产品面临着系列挑战。CO₂还原反应与析氢反应(HER)存在严重的竞争关系，导致产物中醇类选择性较低。此外，CO₂电化学还原制醇类涉及多电子转移，其动力学过程较为缓慢。铜基催化剂在CO₂电化学还原制醇类中表现出独特的优越性，但其面临着过高的过电位和较低的产物选择性等关键难题。

图2 代表性工作成果：Cu₂O催化剂晶面结构和形貌调控及其CO₂电催化还原制醇类产物性能

采用水热合成法构筑了Cu₂O纳米催化剂，通过改变PVP含量实现了Cu₂O催化剂表面形貌和晶面结构的定向调控，探究了模板剂改性对CO₂电化学还原“构效关系”的影响规律。随着PVP含量的提高，Cu₂O催化剂的形貌演变规律为：立方体状Cu₂O-c (100面)→八面体状Cu₂O-o (111面)→截断八面体状Cu₂O-t (110面和111面)，其CO₂电化学还原制醇类产物的选择性遵循：Cu₂O-o (FE=35.4%) > Cu₂O-c (FE=26.2%) > Cu₂O-t (FE=10.7%)。

研究成果：发表SCI/EI收录论文7篇，申请发明专利1件。

应用场景：燃煤、钢铁、化工、水泥行业烟气CO₂转化。

研究方向四：燃烧烟气CO催化消除

图1 典型烧结烟气净化流程

对于典型的烧结烟气净化流程，在脱硝稳定运行时，通过换热器换热后(约220^oC)仍然达不到SCR脱硝所需的温度(约260°C)，因而需要额外燃烧富含CO (约30%)的高炉煤气来给SCR补热，而烟气CO未能得以有效控制。

烧结烟气CO控制的主要方法包括深冷分离法、离子液体吸收法、吸附剂吸附法、强氧化剂氧化法和催化氧化法。其中，催化氧化法是最直接有效的策略，而活性高、稳定性强和抗失效的低温催化剂研制是实现烧结烟气CO催化消除的关键。

图2 代表性工作成果：面向火灾烟气CO消除的NiCuCe催化剂构筑及其低温CO催化性能

研究成果：发表SCI收录论文近10篇，申请发明专利4件。

应用场景：火灾烟气和烧结烟气净化。