环糊精助力高效 CO₂管理：可持续应用的最新进展与展望

一、引言

全球大气 CO₂浓度持续攀升，使得碳捕获、利用与封存（CCUS）成为应对气候变化的核心技术方向。传统 CCUS 材料与技术普遍存在能耗高、稳定性差、成本高昂、绿色性不足等问题，难以满足可持续发展需求。环糊精（CDs）作为由淀粉酶解得到的天然环状低聚糖，具有疏水内腔、亲水外腔、锥状结构、生物可降解、易功能化等独特优势，可通过主客体作用、氢键作用、尺寸筛分等机制实现对 CO₂的选择性识别与高效调控，在 CO₂捕获、气体分离、催化转化三大关键环节展现出巨大应用潜力。

本文系统综述环糊精基材料在 CO₂管理领域的最新研究进展，重点围绕 α-CD、β-CD、γ-CD 三种构型的结构差异、作用机制、材料设计策略、应用性能及现存挑战展开论述，旨在衔接实验室基础研究与工业化应用，为开发低成本、低能耗、高选择性、可持续的新一代 CCUS 技术提供理论参考与方向指引。

二、环糊精的结构特性与 CO₂作用基础

环糊精由 D – 吡喃葡萄糖单元通过 α-1,4 – 糖苷键连接而成，主要包括 α-（6 单元）、β-（7 单元）、γ-（8 单元）三种类型，其内腔直径依次增大（4.7~8.3 Å），内腔体积分别为 174、262、427 ų，水溶性、结合强度与吸附模式存在显著差异。

• α-CD：内腔最小，与 CO₂分子尺寸高度匹配，通过强氢键实现化学吸附主导的高选择性结合，但吸附容量偏低；
• β-CD：尺寸适中、成本最低、水溶性适中，兼具物理吸附与化学吸附特征，在膜分离中表现出优异的抗塑化效应，是最具工业化潜力的构型；
• γ-CD：内腔最大，以物理吸附为主，单分子吸附容量最高，适合构建高孔隙率 MOF 材料，实现低压下高选择性 CO₂捕获。

环糊精与 CO₂的相互作用主要包括：内腔主客体包裹、边缘羟基与 CO₂形成碳酸根 / 碳酸氢根可逆共价键、与金属离子配位增强静电作用、尺寸筛分效应。这种多模式协同使其在复杂气氛（烟气、沼气、空气）中仍能保持优异的 CO₂选择性。

三、环糊精基材料用于 CO₂捕获与储存

（一）环糊精基 MOF（CD-MOF）

以 γ-CD 与碱金属离子（K⁺、Rb⁺）配位构建的 CD-MOF 具有高比表面积、均一孔道与丰富羟基，可实现低压化学吸附 + 高压物理吸附双机制协同。固态 ¹³C NMR 在 158 ppm 处的特征峰证实羟基与 CO₂形成可逆碳酸盐物种，使其在低压下 CO₂/CH₄选择性高达 3000:1。通过氨基功能化、无溶剂合成、整体化结构化等策略，可进一步提升吸附容量与水热稳定性，解决传统 MOF 湿度敏感、合成不绿色的问题。

（二）环糊精基多孔吸附剂

通过热解活化 β-CD 可制备多级微孔碳材料，孔径集中于 < 1 nm，在 0 ℃、1 bar 下 CO₂吸附量可达 4.2 mmol/g，兼具高稳定性与低成本。α-CD 经 KOH 活化后，边缘羟基定向转化为亲 CO₂位点，实现高选择性化学捕获，再生能耗显著低于胺液体系。

（三）环糊精基低共熔溶剂与复合吸收剂

β-CD 与单乙醇胺（MEA）形成的低共熔溶剂，利用疏水空腔稳定两性离子中间体，降低吸收活化能，CO₂吸收容量达 30.30 wt%，循环 23 次后仍保留 91.5% 性能，同时解决传统胺液挥发性高、腐蚀、再生能耗大的缺陷。

四、环糊精基膜材料用于 CO₂高效分离

环糊精在气体分离膜中突破了传统聚合物渗透性 – 选择性权衡瓶颈，核心优势为分子筛分 + 抗塑化 + 选择性传质三重效应。

（一）混合基质膜（MMMs）

将 β-CD 修饰碳纳米管、γ-CD-MOF 引入聚合物基质，可改善填料分散性、增加自由体积、构建选择性通道。β-CD 通过氢键与聚合物链强相互作用，抑制高压下 CO₂诱导塑化，使膜在高压下仍保持稳定选择性。

（二）热解环糊精杂化膜

高温热解环糊精接枝聚酰亚胺，可在膜内形成与 CD 尺寸匹配的多级微孔（6~8 Å），同时残留羰基增强 CO₂偶极作用。PPM-γ-CD 膜在 425 ℃下表现出 4211 Barrer 的 CO₂渗透率与 22.44 的 CO₂/CH₄选择性，且耐高压至 30 atm。

（三）仿生酶促膜与超分子动态膜

将羟丙基 -β-CD 嵌入聚酰胺网络，模拟碳酸酐酶活性位点，构建亲 CO₂纳米通道，实现 CO₂快速水合与选择性传输，CO₂/N₂选择性高达 171。基于 β-CD 的聚轮烷动态膜利用滑动环结构平衡链流动性与刚性，在低添加量下实现高渗透通量与高选择性。

（四）反向选择性吸附材料

γ-CD-MOF 可实现 CO₂/C₂H₂反向分离，利用孔径与亲疏水性差异优先吸附 CO₂，一步提纯乙炔至 99.9%，颠覆传统吸附剂设计逻辑，为石化尾气精制提供全新方案。

五、环糊精基催化体系用于 CO₂资源化转化

环糊精作为无金属有机催化剂，可通过超分子预组装、羟基氢键供电子、空腔限域效应降低反应活化能，在温和条件下实现 CO₂高选择性转化。

（一）CO₂与环氧化物环加成反应

β-CD 边缘羟基可活化环氧化物并稳定过渡态，配合卤素盐实现无金属、无溶剂、高选择性合成环状碳酸酯，收率 > 98%。双 β-CD、氨基 / 咪唑功能化 CD 可进一步构建双功能位点，协同活化 CO₂与底物，循环稳定性优异。

（二）CO₂催化加氢制甲酸 / 甲醇

以 β-CD 为模板制备的金属纳米催化剂，可调控活性位点分散度与电子结构，提升 CO₂加氢选择性。CD 空腔可稳定催化中间体，抑制副反应，为 CO₂还原制液体燃料提供绿色路径。

（三）光 / 电催化 CO₂还原

环糊精可作为光敏剂配体、界面稳定剂与质子转移介质，增强催化体系的 CO₂富集、电荷分离与产物选择性，为人工光合成体系提供生物相容性界面。

六、环糊精基一体化 CO₂管理系统

基于环糊精的多功能性，可设计捕获 – 转化一体化系统，实现单反应器内 CO₂富集与原位转化，大幅简化流程、降低能耗。代表性策略包括：

1. 催化型 CD-MOF：兼具高容量吸附与环加成催化功能，实现烟道气直接转化；
2. 仿生传递 – 反应膜：同步完成 CO₂选择性渗透与原位催化生成环状碳酸酯；
3. 热解催化碳海绵：高稳定、低成本，兼具吸附、分离与催化多场景适配。

一体化系统的核心挑战在于吸附（低温）与催化（中高温）的温度区间不匹配，未来需通过热缓冲设计、动态位点调控、多场耦合实现热力学与动力学协同最优。

七、关键挑战与未来展望

（一）现存挑战

1. 规模化制备：CD-MOF 合成周期长、重现性差、难以宏量制备；
2. 水热稳定性：部分体系在高湿、高温、高压下结构易坍塌；
3. 性能权衡：高选择性往往伴随容量或通量下降，工业工况适应性不足；
4. 机理认知：界面作用、动态吸附 – 催化路径缺乏原位表征支撑；
5. 成本与寿命：功能化 CD 与膜制备成本偏高，长期循环稳定性待验证。

（二）未来发展方向

1. 绿色可控制备：开发无溶剂、室温、快速合成 CD 基多孔材料，提升结晶度与批次稳定性；
2. 多功能精准修饰：定向调控羟基取代、空腔尺寸、金属配位位点，实现吸附 – 分离 – 催化协同强化；
3. 原位机理研究：利用原位光谱、显微成像、模拟计算揭示 CD-CO₂动态作用机制；
4. 工业化导向设计：开发中空纤维膜、结构化吸附剂、连续流反应器，推动中试验证；
5. 全生命周期评估：开展技术经济与环境足迹分析，确证绿色低碳优势。

八、总结

环糊精作为天然、可再生、生物相容的超分子主体，凭借独特的空腔结构与丰富羟基位点，在 CO₂捕获、气体分离、催化转化三大领域展现出传统材料难以比拟的优势。α-、β-、γ-CD 可根据应用场景精准选型：α-CD 侧重高选择性捕获，β-CD 主导膜分离与催化，γ-CD 适合高容量吸附与 MOF 构建。通过构建 CD-MOF、混合基质膜、无金属催化剂、一体化系统等创新形态，可实现低能耗、高选择性、可持续的 CO₂全流程管理。

尽管目前仍面临规模化、稳定性、工况适应性等挑战，但随着材料设计、制备工艺、原位表征与工程化技术的快速进步，环糊精基材料必将成为下一代绿色 CCUS 技术的核心支撑，为全球碳中和目标提供低成本、低碳、高效的全新解决方案。