随着化石燃料使用量的增加，大气中二氧化碳浓度已从工业革命前的280 ppm上升到2022年的421 ppm，对气候、环境和生态系统造成了重大的影响。为了缓解温室效应与能源供应之间的冲突，从空气中捕集CO₂并将其转化为燃料或增值化学品成为了新的研究热点。在之前的研究中，双功能复合材料被提出用以在单个反应器中集成CO₂捕获和转化过程，而无需单独的CO₂捕获和分离设备。这样的联合过程比传统的CO₂捕获储存技术更有利，可以有效的避免运输和储存过程中的相关成本。然而二氧化碳的直接热还原中激活C = O键需要大量的能量或者较高的温度，使得CO₂的转化方式成为了整个技术的关键。太阳能驱动的CO₂重整转化(即甲烷干重整)成为了一种可行的策略，CH₄作为还原剂大大降低了C = O键的活化温度，并且同时将两种主要的温室气体转化为燃料，为空气源CO₂捕获和转化一体化提供了良好的转化路径。目前在空气源CO₂捕获和转化一体化的研究中，以碱性金属氧化物（CaO、MgO等）作为吸附位点，活性金属（Ni、Ru和Rh等）作为催化位点合成的双功能催化吸附剂被广泛的研究。然而这样的复合材料仍然存在一些局限性，比如，吸附时需要一定的温度辅助，无法在室温下直接从空气中捕获CO₂，这一定程度上限制了该技术的实际应用；通常通过化学吸附来捕获CO₂，而解吸时化学键的断裂需要巨大的能量，不利于整个过程的能源利用效率。

南京航空航天大学刘向雷课题组研究了一种由商业化的NaA型沸石分子筛和贱金属Ni组成的双功能催化吸附剂，可以通过物理吸附的作用在室温下直接从空气中捕获CO₂，并通过收集和利用清洁能源太阳能将温室气体CO₂和CH₄转化为有价值的合成气。在该方法中，具有独特孔隙结构和大量碱性位点的NaA型沸石分子筛在模拟室温空气环境中表现出优异的CO₂吸收性能（1.0014 mmol g-1）。此外，由于NaA型沸石分子筛表面对CO₂的物理吸附，该催化吸附剂具有较低的CO₂解吸能，最大限度地减少了额外的能量消耗，提高了能源利用效率。在空气源CO₂捕集与重整转化一体化实验中，该催化吸附剂表现出优异的温室气体转化率（CH₄和CO₂的消耗率分别为0.57 mmol g_cat^-1和0.38 mmol g_cat^-1）和高价值合成气生成（H2和CO g_cat^-1的消耗率分别为0.82 mmol g_cat^-1和0.46 mmol g_cat^-1），由于CO₂的原位转化，其CO₂转化率高达95%。此外，该催化吸附剂在10个循环周期内仍能保持良好的稳定性。这一双功能催化吸附剂的构建，形成了由物理吸附为主导吸附作用的新型空气源CO₂捕集与重整转化一体化的思路，为人工类自然碳循环的构建提供了有效方法，一定程度上缓解了温室效应与能源供应之间的冲突。

图1.空气源CO₂捕集与重整转化一体化示意图

图2. 双功能催化吸附剂Ni₆/NaA的形貌表征

图3. 双功能催化吸附剂Ni₆/NaA的空气源CO₂捕集与重整转化一体化的性能测试

宣益民，中国科学院院士，教授，博导。长期从事能源高效传输、转换利用与储存等方面的研究，主持了国家自然科学基金重大项目、国防973项目、国家自然科学基金重点项目和国际合作重点项目等10余项，获国家自然科学二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、何梁何利基金科学与技术进步奖、江苏省首届基础研究重大贡献奖等。现任中国工程热物理学会副理事长、International Journal of Heat and Mass Transfer Associate Editor、教育部高等学校能源动力类专业教学指导委员会副主任委员等。

刘向雷，教授/博导，国家重点研发计划首席科学家、航空飞行器热管理与能量利用工信部重点实验室主任。主要从事太阳能驱动清洁燃料合成、相变及热化学储能、航空航天器热管理等方面的研究，主持变革性国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目、江苏省碳达峰碳中和创新专项重大项目等，在领域著名期刊发表SCI学术论文120余篇，其中封面论文5篇，合作出版英文专著3部、。获中国工程热物理学会吴仲华优秀青年学者奖、爱思唯尔/雷蒙德维斯坎塔青年科学家奖、美国佐治亚理工学院最佳博士论文奖（Top 2%）等。入选国家青年特聘专家、中国科协“青年人才托举工程”、江苏省“双创人才”、江苏省“六大高峰高层次人才”等人才计划，入选福布斯中国30位30岁以下精英（科技领域）、强国青年科学家提名（全国40名）、江苏省青年双创英才等。

田程，南京航空航天大学能源与动力学院2021级博士生，师从刘向雷教授，主要从事空气源CO₂捕集与转化一体化的研究。

Tian C, Liu X, Liu C, et al. Air to fuel: Direct capture of CO₂ from air and in-situ solar-driven conversion into syngas via Nix/NaA nanomaterials. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5782-z.