直接空气捕集（DAC）是实现碳中和目标的重要负排放技术，如何发展才能成功迈向产业化？近日，制冷与低温工程研究所朱炫灿副教授等结合近5年DAC行业的发展趋势，指出未来DAC的发展需要围绕反应器设计、热—水管理和系统集成开展多目标协同优化，为吸附式DAC跨越产业化“最后一公里”提供了系统性发展路径。综述论文A pathway to next-generation direct air capture using adsorbents发表在Joule上。博士生徐一斐为论文第一作者，朱炫灿副教授为通讯作者，王如竹教授与澳大利亚科学院和技术与工程院院士Rose Amal教授为论文合作者。
从材料突破到产业化部署：DAC仍面临哪些关键挑战？
近年来，DAC吸附材料研究发展迅速，大量具有高CO2容量、高选择性和优异稳定性的新型多孔材料不断涌现。然而，这些材料仅仅是DAC实现规模化的第一步。对于实际DAC装置而言，不仅吸附剂需要被加工为具有低压降、高传质效率、高机械稳定性以及长期循环能力的结构化单元，还要考虑运行过程中风机运行点需求、吸附剂再生的热需求、环境空气温湿度的波动，以及下游CO2应用场景的适配等因素。
对于一套完备的DAC产业链，捕集能耗、捕集成本以及下游的CO2应用利润决定了DAC的布局方式与大规模布局可行性。对此，研究提出下一代DAC的发展需要转向系统价值导向的工程设计理念，从吸附剂、反应器、运行过程到应用场景开展协同优化，推动DAC从实验室验证真正走向规模化部署。
创新设计：构建低阻高效DAC反应器
空气接触器是DAC系统中空气与吸附剂发生传质交换的核心部件，其结构直接决定空气流动阻力、CO2传输效率以及系统运行能耗。论文系统总结了近年来整体式、层板式和纤维式等新型接触器的发展趋势，并分析了不同结构在压降、传质距离和吸附剂负载能力方面的特点，同时关注了被动式空气捕集技术的发展。
针对传统DAC接触器中吸附剂利用率不足的问题，朱炫灿副教授课题组博士生邵庆阳、干卓臻研究提出一种基于三周期极小曲面（TPMS）的新型结构化接触器设计策略，研究成果Efficient Adsorption-Based Direct Air Capture Via Triply Periodic Minimal Surface Architectures发表在Advanced Science上。该工作利用金属增材制造构建了三类TPMS结构，系统比较了其与传统直通道结构在动态吸附、脱附、流场分布及系统能耗方面的差异。
TPMS连续曲率和三维互联通道能够诱导二次流、涡旋以及流体反复分裂与重组，有效削弱浓度边界层，提高CO2向吸附剂表面的传输效率，使更多扩散受限位点转化为可利用吸附位点。相比传统直通道接触器，TPMS结构提升65%~114%捕集产率，并降低48.2%单位捕集能耗，为面向规模化部署的低阻、高效DAC反应器设计提供了新的结构路径。
热—水协同管理：降低DAC运行能耗的新路径
研究发现，降低DAC能耗不能仅依靠开发低解吸温度吸附材料，还需要从热量供应方式、热传递过程和系统热回收等方面进行综合优化。近年来，热泵、余热回收、电驱动再生、微波加热和焦耳加热等技术不断发展，为降低DAC再生能耗提供了新的可能。其中，热泵技术能够实现冷热源协同利用，提高能源利用效率；电驱动加热方式能够直接作用于吸附材料，实现快速、高效再生。
论文进一步强调了水管理在DAC系统中的重要作用。通常湿度促进CO2吸附，但过高湿度下水分子可能与CO2竞争吸附位点，湿度的变化也让碳捕集效果难以准确核算。对此，研究提出应将湿度作为系统变量加入DAC运行设计，通过调节湿度、蒸汽辅助再生工艺以及空气取水技术，实现水、热和碳捕集过程的协同优化。
系统集成：让DAC从碳捕集设备转变为价值创造单元
通过系统集成，DAC未来有望从单纯消耗能源的碳捕集装置，转变为连接能源、环境和工业体系的重要基础设施，提升CO2捕集的经济价值。DAC的商业竞争力不仅取决于捕集成本，还取决于其在不同应用场景中创造的综合价值。
在建筑领域，DAC可与空气处理系统共享设备和能源，实现建筑运行与碳移除协同；在农业领域，捕集后的CO2可作为温室农业的重要碳源，提高资源利用效率；在绿色燃料领域，DAC提供的CO2能够与绿氢结合，用于合成燃料生产，为航空、航运等难减排领域提供可持续碳源。
展望未来：从最低能耗走向动态最优运行
研究提出，下一代DAC需要建立动态运行模式，根据天气变化、能源供应和市场需求实时调整吸附—再生过程。DAC评价体系也应从单一能耗指标拓展至综合经济性指标，例如单位净捕集CO2的经济收益，从而更加全面地衡量技术路线的长期竞争力。通过数字化控制、智能调度和动态优化，未来DAC有望发展为适应可再生能源时代的新型智慧负排放基础设施。
该研究从工程化和产业化视角系统分析了吸附式直接空气捕集的发展路径，为解决空气处理能耗高、再生过程复杂以及应用场景有限等产业化瓶颈提供了新思路，也为直接空气捕集技术从实验室研究迈向规模化应用提供了重要参考。
本研究得到了国家自然科学基金项目资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2026.102587
https://doi.org/10.1002/advs.76487
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