新型共价有机框架可快速从环境空气中捕获二氧化碳

Josiah02

捕获和储存人类产生的二氧化碳是降低大气温室气体和减缓全球变暖的关键，但当今的碳捕获技术只适用于碳浓度高的来源，如发电厂废气。同样的方法无法有效地捕获环境空气中的二氧化碳，因为环境空气中的二氧化碳浓度比烟气中的浓度低数百倍。
然而，人们寄希望于直接空气捕获（DAC）来扭转二氧化碳水平的上升，目前二氧化碳水平已达到 426 ppm，比工业革命前的水平高出 50%。根据政府间气候变化专门委员会的说法，如果没有它，我们就无法实现人类将气温升高限制在比现有全球平均水平高出 1.5 °C (2.7 °F) 的目标。
加州大学伯克利分校的化学家开发了一种新型吸收材料，可以帮助世界实现负排放。这种多孔材料——共价有机骨架 (COF)——可以捕获周围空气中的二氧化碳，而不会被水或其他污染物降解，这是现有 DAC 技术的局限性之一。
“我们取出这种材料的粉末，放入一根管子中，然后将伯克利的空气（室外空气）通入材料中，看看它的表现如何，结果非常不错。它彻底清除了空气中的二氧化碳。一切都清除了，”加州大学伯克利分校詹姆斯和尼尔杰·特雷特化学教授、 10 月 23 日在线发表在《自然》杂志上的一篇论文的资深作者奥马尔·亚吉说。
“我对此感到很兴奋，因为就性能而言，它无可比拟。它为我们解决气候问题的努力开辟了新天地，”他补充道。
亚吉表示，这种新材料可以很容易地替代已经部署或正在试点的碳捕获系统，以清除炼油厂排放的二氧化碳，并捕获大气中的二氧化碳并储存在地下。
加州大学伯克利分校研究生周子晖是这篇论文的第一作者，他表示仅仅 200 克的这种材料（略少于半磅）一年就能吸收与一棵树一样多的二氧化碳——20 公斤（44 磅）。
周说：“烟气捕集是一种减缓气候变化的方法，因为可以避免向空气中排放二氧化碳。直接空气捕集是一种让我们回到 100 多年前的方法。”
“目前，大气中的二氧化碳浓度超过 420 ppm，但在我们全面开发和使用烟气捕获技术之前，该浓度可能会上升到 500 或 550 ppm。因此，如果我们想降低浓度并回到 400 或 300 ppm，我们必须使用直接空气捕获技术。”
COF 与 MOF
Yaghi 是 COF 和 MOF（金属有机骨架）的发明者，这两种材料都是刚性晶体结构，具有间距规则的内部孔隙，为气体粘附或吸附提供了较大的表面积。
他和他的实验室开发的一些 MOF 即使在干旱条件下也能从空气中吸收水分，加热后释放出水供饮用。他说，自 20 世纪 90 年代以来，他一直在研究用于捕获碳的 MOF，那时 DAC 还没有引起大多数人的关注。
两年前，他的实验室创造了一种非常有前景的材料——MOF-808，它可以吸附二氧化碳，但研究人员发现，经过数百次吸附和解吸循环后，MOF 会分解。这些 MOF 内部装饰有胺（NH 2基团），可以有效地结合二氧化碳，是碳捕获材料的常见成分。
事实上，目前主要的碳捕获方法是将废气通过液胺鼓泡来捕获二氧化碳。然而，Yaghi 指出，液胺的再生和挥发性需要大量能源，这阻碍了其进一步的工业化。
与同事合作，Yaghi 发现了为什么一些 MOF 会因 DAC 应用而退化——它们在碱性条件下不稳定，而酸性条件下则不稳定，而胺是碱。他和 Zhou 与德国和芝加哥的同事合作设计了一种更坚固的材料，他们称之为 COF-999。
MOF 由金属原子结合在一起，而 COF 则由共价碳-碳和碳-氮双键结合在一起，这是自然界中最强的化学键之一。
与MOF-808一样，COF-999的孔内装饰有胺，可以吸收更多的二氧化碳分子。
亚吉说： “从空气中捕获二氧化碳是一个非常有挑战性的问题。”
“这需要耗费大量的能源，你需要一种具有高二氧化碳容量、高选择性、水稳定性、氧化稳定性、可回收性的材料。它需要具有较低的再生温度，并且需要可扩展。这对于材料来说是一个很高的要求。一般来说，目前已经部署的是胺溶液，这种溶液是能源密集型的，因为它们是基于水中的胺，而水需要大量的能量来加热，或者固体材料最终会随着时间的推移而降解。”
Yaghi 和他的团队花了 20 年的时间开发 COF，这种材料具有足够坚固的主干，可以抵抗从酸、碱到水、硫和氮等污染物，这些污染物会降解其他多孔固体材料。
COF-999 由带有胺基的烯烃聚合物骨架组装而成。多孔材料形成后，会用更多胺类物质冲洗，这些胺类物质会附着在 NH 2上，并在孔内形成短胺类聚合物。每个胺类物质可以捕获大约一个 CO 2分子。
加州大学伯克利分校研究生周子辉手持 100 毫克 COF-999 测试样本。样本被放置在周子辉身后的分析仪中，用于测量与环境空气相似的空气混合物中二氧化碳的吸附量。图片来源：加州大学伯克利分校罗伯特·桑德斯
当在室温（25°C）和 50% 湿度下将 400 ppm 二氧化碳空气泵入 COF 时，COF 可在约 18 分钟内达到一半容量，并在约两小时内充满。但是，这取决于样品形式，优化后可以加速到几分之一分钟。
加热到相对较低的温度（60 °C 或 140 °F）会释放 CO2 ， COF 便可再次吸附 CO2。COF每克可吸附高达 2 毫摩尔的 CO2 ，这比其他固体吸附剂更胜一筹。
Yaghi 指出，目前内部多胺链中的胺类并非都能捕获二氧化碳，因此可能可以扩大孔隙，使捕获的二氧化碳量增加一倍以上。
“这种 COF 具有强大的化学和热稳定性主干，所需能量更少，而且我们已经证明它可以承受 100 次循环而不会损失容量。没有其他材料表现出这样的性能，”Yaghi 说道。“它基本上是目前直接捕获空气的最佳材料。”
Yaghi 乐观地认为，人工智能可以帮助加快设计更好的 COF 和 MOF，用于碳捕获或其他用途，特别是通过确定合成其晶体结构所需的化学条件。
他是加州大学伯克利分校巴卡尔地球数字材料研究所（BIDMaP）研究中心的科学主任，该研究所利用人工智能开发具有成本效益且易于部署的 MOF 和 COF 版本，以帮助限制和应对气候变化的影响。
他说：“我们对将人工智能与我们一直在做的化学相结合感到非常兴奋。”