碳捕獲行業正悄然發生一場變革。多年來，大多數從空氣中直接提取二氧化碳的裝置——即直接空氣捕獲
（DAC）系統——依賴蒸汽提供熱能。加熱是釋放並收集已捕獲CO?的關鍵步驟，但蒸汽方式效率低下。近來，多家企業開始嘗試新型電氣化方案。
加利福尼亞州伯克利的AirCapture公司採用微波產熱技術，並於今年6月憑藉該技術斬獲騰訊CarbonX 2.0大獎。北卡羅來納州達勒姆的初創企業Sustaera則在其實驗室規模的裝置中使用電阻加熱技術，並於今年3月宣布其效率比蒸汽方式高出三倍以上。總部位於倫敦的Mission Zero Technologies則研發出一種膜電滲析裝置，完全繞過了對熱能的需求。
這些探索發生在商業化DAC技術經歷動盪的背景之下。該領域企業的目標是從大氣中大量清除CO?，以減緩全球變暖，並在碳市場出售碳信用額度。然而，高成本、低效率、商業挫折、碳市場低迷以及美國國內的政治阻力，讓這些企業舉步維艱，迄今尚未在溫室氣體減排方面取得實質進展。
Sustaera聯合創始人兼首席執行官科里·桑德森表示，DAC"是我們都需要的東西，但沒有人願意為此買單，所以我們必須儘可能降低成本"。他說："大家之所以轉向電氣化方案，是因為蒸汽路線行不通，我認為業界終於意識到了這一點。"
蒸汽加熱的工作原理與局限
在典型的蒸汽DAC系統中，大型風扇將外部空氣吸入，使其流過收集單元內的吸附劑床層。吸附劑吸收CO?，待飽和後收集單元關閉，蒸汽隨即充滿腔室，加熱吸附劑並斷開其與CO?之間的化學鍵，從而釋放CO?以供收集，這一步驟稱為"脫附"。總部位於蘇黎世的Climeworks是大氣碳捕獲領域最知名的企業之一，採用的正是這種方式。
伊利諾伊州伊凡頓西北大學的電化學家劉澤延表示："人們之所以使用蒸汽，是因為它是一種非常成熟的工業方法。"但他同時指出，"我們看到一種從蒸汽向電力轉變的趨勢"。
蒸汽脫附的效率存在固有上限：蒸汽充滿密閉空間時，不僅加熱吸附劑，還會加熱腔室內的所有物體。此外，蒸汽需經歷氣態與液態之間的相變，其效率受熱力學定律制約。在低溫環境下，蒸汽的表現也更差。
電氣化加熱方案更為精準，僅針對吸附劑本身——甚至僅針對吸附劑內的化學鍵——而無需加熱整個收集單元，這也是Sustaera選擇電阻加熱（即焦耳加熱）的原因。
電阻加熱：精準高效的新路徑
在這一方案中，電流流過由導電材料製成的吸附劑，運動的電子在材料中遭遇阻力時產生振動，從而加熱吸附劑，而不會使整個腔室升溫。Sustaera的吸附劑由胺基酸鹽固體材料製成。桑德森表示："需要加熱的物質大幅減少，效率顯著提高，因此加熱速度更快，所需能量也大幅降低。"
這一思路頗具吸引力，但距離大規模應用仍有很長的路要走。Sustaera的裝置安置在達勒姆研究三角園區一棟企業孵化樓內一間逼仄的砌塊房間裡，通過牆上的孔洞抽入室外空氣。房間約一半空間被用於測試吸附劑的管架占據，另一半則是這台被命名為"鳳凰"的DAC裝置。該裝置每年約能從空氣中捕獲1噸CO?——相比之下，建築周圍的松樹林所吸收的CO?遠遠超過這個數字。
該技術面臨的挑戰之一，是如何製造出既耐高溫不易降解、又能均勻導電的吸附劑。設計不當會產生局部過熱，導致吸附劑在反覆使用中損耗。IEEE Spectrum記者7月造訪Sustaera實驗室時，桑德森正在測試四個葡萄酒軟木塞大小的吸附劑樣品。"我們先在這裡篩選吸附劑和所有新型結構材料，可以運行數千個循環，從而獲得驗證穩定性的數據。"他說。
值得關注的是，航空巨頭空中客車已就類似的電阻加熱DAC技術在歐洲申請了專利。空客方面確認，公司"已對該專利所描述的電脫附技術進行了研究"，將其納入碳捕獲研發工作，但未透露更多細節。
微波技術：更精準的鍵斷裂方式
其他團隊則在探索更具針對性的加熱方法——微波技術。該方法通過微波選擇性地斷開CO?與吸附劑之間的化學鍵，將其釋放以供收集。
AirCapture正在開發這一技術。其工作原理如下：風扇將空氣吸入，CO?被吸附劑吸收；隨後，微波被定向照射到已結合CO?的吸附劑上。CO?本身對微波透明，但當其與吸附劑結合後，這些化學鍵對微波的響應方式類似於水分子。微波激活這些化學鍵，產生熱量並釋放CO?分子以供收集。AirCapture已在伯克利基地建造了一套中試規模的DAC裝置，並已運行約一年。
AirCapture創始人兼首席執行官麥特·阿特伍德預計，微波與蒸汽兩種方案將各有適用場景。他表示，在蒸汽便於獲取的環境中（例如來自工業餘熱），使用蒸汽的成本更低。而在其他環境中，微波方案則更具優勢。
"舉個例子，如果我們在地熱蒸汽幾乎免費的地方開發項目，那蒸汽方案就優於微波方案，"阿特伍德說，"但在大多數情況下，如果我們要付費發電來產生微波或蒸汽，微波方案通常成本更低，因為它資本投入更少、設備更簡單、能效更高。"
西北大學的劉澤延表示，在對兩種技術進行真正的成本比較之前，還需要大量測試。"目前針對DAC中電氣化加熱的研究成果不多"，而蒸汽產生過程的耗電數據"是經過廣泛驗證的成熟數字"。
劉澤延本人專注於電化學路線的研究——與其他方案不同，這一路線完全不依賴熱能，而是通過電流驅動化學反應，直接斷開束縛CO?的化學鍵。Mission Zero Technologies以及以色列初創企業RepAir Carbon均採用了這一路線。
行業困境：資金、聲譽與政治壓力
無論採用何種技術路線，DAC企業都面臨著資金、聲譽和監管等多方面的重重阻礙。CarbonCapture公司於2024年放棄了在懷俄明州建設設施的計劃，原因是無法為項目籌集到足夠的清潔能源。由Climeworks和Heirloom Carbon共同參與、原計劃在路易斯安那州建設的DAC中心Project Cypress，也因政治勢力試圖取消其聯邦撥款而延誤數月，直至今年4月才恢復推進。
微軟曾幾乎憑一己之力建立起美國碳市場，但據報道，今年4月該公司表示將暫停購買碳信用額度，一個月後又重新購入。
這些混亂信號給相關企業帶來了沉重壓力。"形勢確實很艱難，"桑德森說。工作仍在推進，但行業正在經歷"一輪優勝劣汰……到頭來，還是要看誰的技術最過硬。"
Q&A
Q1：直接空氣捕獲（DAC）系統為什麼要從蒸汽加熱轉向電氣化方案？
A：蒸汽加熱存在固有的效率瓶頸——它會加熱整個腔室而非僅針對吸附劑，同時蒸汽相變過程受熱力學限制，在低溫環境下表現也較差。相比之下，電阻加熱（焦耳加熱）和微波加熱更具針對性，只加熱吸附劑或其化學鍵，所需能量更少、速度更快，效率可提升三倍以上，因此越來越多的企業開始轉向這一方向。
Q2：Sustaera的電阻加熱技術目前達到了什麼水平？還面臨哪些挑戰？
A：Sustaera已在實驗室建造了一台名為"鳳凰"的DAC裝置，每年約可捕獲1噸CO?，並宣布其效率比蒸汽方式高出三倍以上。目前主要挑戰在於吸附劑的耐久性——吸附劑必須能夠承受反覆加熱而不降解，同時還需保證電流均勻分布，避免局部過熱損壞材料。公司正通過數千次循環測試來驗證吸附劑的穩定性。
Q3：微波加熱在直接空氣捕獲中是如何工作的？
A：在AirCapture的微波方案中，空氣被吸入後CO?由吸附劑捕獲，隨後微波定向照射到已結合CO?的吸附劑上。CO?本身對微波透明，但與吸附劑結合後，化學鍵對微波的響應方式類似於水分子，微波激活這些鍵並產生熱量，從而釋放CO?以供收集。這種方式資本投入少、設備簡單，在無法低成本獲取蒸汽的環境中比蒸汽方案更具成本優勢。
