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過去 10 年，全球 CO2 捕捉裝置容量僅緩步增長約 30–40 Mt。然而根據 IEA CCUS Projects Database（2025）並轉引自 Energy Chamber of Trinidad & Tobago（2026 年 3 月）的資料，2026e 至 2035 年間，全球規劃中與興建中的捕捉／封存產能將大幅擴張，未來 10 年計畫大幅增長至 1200 Mt CO2／年。從產業別占比來看，天然氣加工／LNG 目前仍是主要應用場景，但到 2035 年，發電（Power）、氫氣／氨（Hydrogen or ammonia）、生質燃料（Biofuels）等新興應用占比明顯提升。
CCUS 捕捉端的核心是吸附劑／吸收劑材料的選擇。以下整理五類現有吸附材料的分類、開發挑戰與現行研究狀況。
材料分類 結晶性鋁矽酸鹽多孔材料，孔徑規則、可透過離子交換／矽烷化調整表面極性。
開發挑戰 潮濕環境下水氣與 CO2 競爭吸附，削弱 CO2 選擇性；比表面積數量級因結構差異甚大。
現行狀況 近期研究聚焦「疏水改質」：表面矽烷化、核殼結構、Si/Al 比調控、陽離子交換、階層孔結構、胺基官能化，以提升潮濕環境下的 CO2/N2 選擇性。
材料分類 原始 MOF（pristine MOF）、MOF 複合材料（與離子液體、氧化石墨烯、COF、生物炭等結合）、MOF 衍生物（多孔碳、金屬化合物、單原子催化劑）三大類；三種調控策略為開放金屬位點（OMS）、配體修飾（如胺基、醯胺官能化）、孔徑精準調控。
以 Ni-MOF-74 系列為例：胺基修飾（a,b,c）依靠化學吸附大幅增加 CO2 的吸附能力，主要應用於空氣中 CO2 的直接捕捉（DAC）；CH3 修飾（d）增加疏水性，提升材料在潮濕環境下對 CO2 的分離選擇性；氟基修飾（f）透過強電負度增加 CO2 選擇性；氧化鋰基修飾（g）則強化材料並提高吸附容量。
開發挑戰 從實驗室走向工業應用仍是最大瓶頸：具高 CO2 容量的 MOF 往往穩定性不佳，而熱／化學穩定性好的 MOF 又常缺乏足夠容量；胺基官能化材料在潮濕或含氧環境下容易劣化；目前多數研究仍停留在毫克／公克級的實驗室合成，公斤級量產案例（如 MIL-120(Al)-AP）非常少見。以 Zr-MOF 為例，胺基與 CO2 反應形成氨基甲酸鹽（carbamate）過程中易產生閉鎖現象，使吸附量與選擇性急遽降低；透過 LAH 還原將 Amide 轉化成 Amino group，可使選擇性拉高 10 倍，且不須熱脫附。
現行狀況 在 CO2 捕捉／分離與轉化利用（光催化、電催化還原、加氫反應）兩大應用面向，比較不同 MOF 的吸附量、選擇性、光／電催化效率；「S 型異質接面」（S-scheme heterojunction）是目前光催化 CO2 還原最新的材料設計策略，兼具先前 Z 型與 II 型異質接面的優點。
材料分類 依胺分子結構分為：初級胺（MEA，基準溶劑）、次級胺（DEA）、三級胺（MDEA、DEAB、2DMAE，不形成氨基甲酸鹽、改走重碳酸鹽路徑）、環狀二胺（PZ，吸收速率約 MEA 的 2 倍）。混合胺（如 MEA+PZ、MEA+MDEA）結合不同胺類優點。另有五類新型吸收劑：奈米流體、離子液體、雙相溶劑、胺基酸鹽溶液、碳酸鹽溶液。
開發挑戰 MEA 再生能耗 3.7–4.0 GJ/tCO2，佔捕捉製程總能耗 60–80%。降解方面：MEA 於 160°C、100 kPa 下 56 天降解至剩下 83 wt%；MDEA 則僅 33 天內降解到剩下不到 5 wt%，穩定性差異懸殊。共溶劑策略（醇類、二元醇、離子液體）可降低再生能耗最高達 60%，但普遍伴隨黏度上升，非水系統 CO2 吸收後黏度可暴增至 198 mPa·s 的問題。
現行狀況 1950–80 年代建立基礎製程 → 1990–2000 年代認知到高能耗問題 → 2000–2010 年代工業級進階溶劑（如 KS-1™、CANSOLV®、OASE®，能耗降至 2.5–2.9 GJ/tCO2）→ 2010–2020 年代非水／水缺乏型溶劑興起 → 2020 年代進入 AI 輔助溶劑設計階段。目前 MEA+PZ、MEA+MDEA 等混合胺被認為是「近期最務實的選項」。
材料分類 官能化方式分兩種：wet impregnation（濕式浸漬）或 covalent anchoring（共價鍵鍵結）；載體涵蓋二氧化矽（SBA-15, MCM-41）、沸石、碳材（CNT, 碳纖維）、聚合物（PMMA）、MOF（IRMOF-74-III）、纖維素等；胺種類包括 TEPA、TETA、PEHA 及 PEI（branched/linear）。
開發挑戰 (1) 再生過程長期熱穩定性（thermal stability）(2) 氧化降解（oxidative degradation）(3) 材料製備以降低再生溫度 (4) 反應器工程與製程最佳化。若能將再生溫度降至 40–60°C，可同時緩解 (1)(2) 兩項問題。
現行狀況 近年研發熱點；製程改良後成本約 48.1–75.2 $/t-CO2，可與液態胺洗滌（約 62.8 $/t-CO2）競爭，最低成本 48.1 $/t-CO2 由 fixed-bed（固定床）吸附架構達成。
材料分類 零維（0D）碳基奈米材料，屬碳奈米材料家族（0D 碳點/富勒烯 → 1D 奈米管 → 2D 石墨烯 → 3D 階層泡沫）中最小尺度的一員。
開發挑戰 需克服提升 CO2/N2 的選擇性、大規模合成、技術經濟性評估。
現行狀況 碳點應用於 CO2 捕捉仍處於早期研究階段；透過氮摻雜（N-doping）、胺基修飾（Amine functionalization）及複合材料工程，CNMs 在適度壓力下的吸附量可達到 9 mmol/g，且能在 100°C 的溫度下完成再生。
對於吸附劑的評估不僅止於學術研究，大多數的材料在完成之後，會接著確認其各種吸附性能，包含吸附量、吸附選擇性、環境影響等，更重要的是當運用到實際案場還需要更多模擬測試與評估，以下是整個吸附劑開發分析過程。
材料從實驗室篩選走向產線量產，需經過六個關鍵分析步驟：①等溫吸附線了解材料吸附能力 → ②動態吸附線看實際使用情境 → ③動態穿透曲線計算質傳係數 → ④PSA/TSA 跨現場應用實驗 → ⑤放大製程 Scale-up → ⑥CO2 的利用與封存。
在固定溫度下，量測材料於不同壓力下的氣體吸附量，繪製出吸附等溫線。不同的壓力段代表不同的孔徑範圍(左下)。從吸附等溫線了解這個材料的比表面積、孔徑分布、理論吸附容量與不同氣體之間的選擇性。
實測範例：以靜態比表面積分析儀測得 Sample 1／Sample 2 兩組樣品，BET 比表面積分別為 942／1,189 m²/g；於 298.15 K、1 bar 下 CO2 吸附量為 4.06／4.35 mmol/g；CO2/N2 選擇性（IAST）為 26.3／35.0。(右下)
要了解材料的真實運用狀況光是依靠靜態吸附是不夠的，而是要透過混合氣體連續通過填充床，記錄出口濃度隨時間的變化得到穿透曲線，了解動態下的吸附量與氣體選擇性。
此時分析紀錄的資訊來自於材料在真實流動、真實混氣、真實濕度下，對於吸附能力的影響？與靜態等溫線的理想值通常存在落差。
實測範例：多孔碳材料於 298.15 K、1 bar、5% CO2/N2 條件下穿透測試，1 號／2 號樣品數據如下：
此外，以穿透曲線分析儀模擬三種真實情境：煙道氣模擬（吸附溫度 40°C、壓力 1 bar，濃度 80% N2／15% CO2／5% O2，總流量 10 mL/min）；沼氣模擬（吸附溫度 20°C、壓力 1 bar，濃度 75% CH4／25% CO2，總流量 8 mL/min）；濕度效應對照（乾燥條件：10% CO2／90% N2，100 mL/min，1 bar，40°C；潮濕條件 RH 80%：9.41% CO2／84.73% N2／5.86% H2O，106.2 mL/min，1 bar，40°C)。
除了從穿透曲線的外觀了解吸附量、吸附速度。進階採用管柱法與零長柱法搭配軟體計算取得質傳係數，包含軸向擴散與晶內擴散，對於放大氣體處理製程是相當重要的參數。
擴散行為主要體現氣體分子進入孔隙的速度夠不夠快？傳遞的行為如何？這些數據都可以用於未來填充床設計的高度、流速上限與循環週期。
質傳係數是從『實驗室數據』過渡到『工程設計參數』的關鍵橋樑，減少依賴理想條件或經驗法則的猜測。
兩種計算路徑：管柱脈衝曲線法可計算吸附平衡常數 KH、吸附熱 ΔHads、識別質傳阻力、預估有效擴散係數 De；Zero-Length Column（零長柱脫附曲線）則用於量測擴散係數。
了解固定條件下的動態吸附之後，研究人員改以變壓吸附（PSA）或變溫吸附（TSA）模擬實際製程的連續吸附-脫附循環，驗證材料在多次循環下的穩定性。
實驗結果顯示材料能不能在真實產線的循環操作下維持效能？跨不同現場（電廠、水泥廠、化工廠）條件是否都適用？
實測範例：穿透曲線分析儀進行 30 小時 PSA/TSA 循環穩定性測試。測試條件：吸脫附溫度 30°C；吸附壓力 5 bar、脫附壓力 1 bar；濃度 10% CO2／40% N2／50% He；總流量 22 mL/min。測試設計為自動切換壓力與溫度，連續完成變壓與變溫吸脫附循環，累積 30 小時運轉，記錄每次循環的 CO2/N2 穿透曲線變化，用以確認材料在長時間、多次循環操作下吸附容量是否穩定、有無明顯衰退——這正是材料能否進入下一階段放大製程的關鍵門檻。
將實驗室／中試規模的數據（等溫線、質傳係數、循環穩定性）輸入製程模擬軟體，設計實際產線規模的填充床尺寸、流速與操作排程。
從公斤級材料到公噸級產線，效能是否能線性放大？批次一致性如何用簡化版分析（單點 BET、快速 TPD）確保？
放大過程中的傳質限制、溫度分布不均，往往是效能打折的主因。
完成材料驗證與放大製程後，捕捉到的 CO2 進入「利用」（Utilization）與「封存」（Storage）兩條路徑，也是後續 D、E 兩章節分別展開的主題。
實務上會需要透過高壓、高溫下的 CO2 等溫吸附實驗，搭配多種吸附模型（Langmuir、BET、D-R），建立封存容量計算模型，評估封存潛力與有利區域。
CO2 封存機制隨溫度、壓力條件而變：中深部亞臨界區以吸附為主導，隨深度增加而遞減；深部超臨界區則自由相封存量增加。BET 模型能較好地擬合超臨界 CO2 吸附行為（在接近臨界點時的吸附量急升）。
以升溫脫附（TPD）技術鑑定材料表面酸性位點強度：脫附溫度約 130°C 對應弱酸性點位、約 250°C 對應中酸性點位、約 450°C 對應強酸性點位。
簡報整理四篇文獻，展示 TPR/TPD 分析在催化劑鹼性位點、還原行為研究上的應用：
在這個案例中，使用Cu/BaTiO3 經過 H 的改質之後，實驗結果顯示提升了 CO2 轉化甲醇的選擇性與產率。然後其中的反應機制為何是我們主要想探討的點。
起始吸附 CO2 與 H2 吸附於 Cu 奈米顆粒表面，為兩種觸媒共同的第一步。
Formate 形成 Cu 解離的表面氫與 BaTiO2.8H0.2 晶格氫化物（H⁻）共同促成 HCOO*（formate）中間體形成。
雙路徑加氫與再生 HCOO* 經 Mars van Krevelen（耗晶格 H⁻）或 Langmuir–Hinshelwood（耗表面 H）路徑加氫成 CH3OH；氫化物空缺由氣相 H2 再生，形成循環。
技術原理 觸媒達穩態後，將進料由 12CO2/H2/Ar 切換為 13CO2/H2/He，以 MS/IR 連續追蹤各物種訊號 F(t)。
關鍵換算 以 Ar 為氣相滯留（gas holdup）內標；CH3OH 的 F(t) 與 Ar 曲線間面積差即為平均表面滯留時間 τ0；TOF = 1/τ0；表面中間體濃度 N = r(CH3OH) × τ0。
方法特點 傳統轉化率／選擇性僅反映巨觀結果；SSITKA 可在不擾動穩態下，直接比較兩觸媒「活性位點數量」與「單點反應速度」的差異。
不同之處：CH3OH 的 F(t) 衰減明顯比 Ar 慢，且 Cu/BaTiO2.8H0.2 衰減得比 Cu/BaTiO3 快：τ0 = 296 秒（BaTiO3）vs 154 秒（氧氫化物）。
藉由原位紅外光譜分析，訊號在 1590／1352 cm⁻¹ 為 formate（甲酸鹽）的不對稱／對稱振動峰；切換為 13CO2 後，不對稱峰位移出現新的標記峰（~1537 cm⁻¹），以此峰面積定量交換比例。
Cu/BaTiO3：約 50% 被取代 同位素切換約 1 小時後，僅約 50% 未標記 formate 被 13C-formate 取代。
Cu/BaTiO2.8H0.2：>90% 被取代 同樣時間內超過 90% 表面 formate 被取代，幾乎所有 formate 都持續參與反應循環，反應性顯著較高，旁觀者物種比例大幅降低。
透過 XRD 直接觀察多孔材料在真實吸附工況下的結構變化：基線晶體結構確認（Rietveld refinement）→ 吸附過程中的 peak shift（顯示 framework expansion）→ 晶格常數變化趨勢與吸附容量的結構-性能關聯。此技術適用於 Zeolites、MOFs、COFs 與 porous carbons，能將吸附性能與真實晶體結構演化連結，提供傳統實驗室工具無法提供的證據。
捕捉：
材料篩選、等溫線、動態穿透、PSA/TSA模擬
靜態吸附、動態吸附、穿透曲線
利用：
反應機理研究、反應動力學、表面中間體鑑定、TOF計算
SSITKA、TPD/TPR、穿透曲線、in-situ DRIFTS
封存：
高壓/高溫CO2等溫吸附、封存容量評估
高壓氣體吸附分析儀
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