极端温度下的碳去除：多孔材料可以捕获工业废气中的“热”二氧化碳

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水泥厂或钢铁厂等工业工厂会排放大量二氧化碳，这是一种强效温室气体，但废气温度过高，无法使用最先进的碳去除技术。需要大量能源和水来冷却废气，而这一要求限制了一些污染最严重的行业采用二氧化碳捕获技术。
现在，加州大学伯克利分校的化学家们发现，一种多孔材料可以像海绵一样，在接近许多工业废气温度的温度下捕获二氧化碳。这种材料是一种金属有机骨架（MOF），发表在《科学》杂志上的一篇论文中进行了描述。
从发电厂或工业工厂排放物中捕获碳的主要方法是使用液胺吸收二氧化碳，但这种反应只有在 40 至 60 摄氏度（100-140 华氏度）的温度下才能有效进行。水泥制造厂和炼钢厂产生的废气温度超过 200 摄氏度（400 华氏度），一些工业废气温度接近 500 摄氏度（930 华氏度）。
目前正在试验的新材料，包括添加了胺的 MOF 子类，在高于 150 C (300 F) 的温度下会分解或工作效率大大降低。
加州大学伯克利分校博士后研究员、该论文的两位共同第一作者之一库尔蒂斯·卡施 (Kurtis Carsch) 说：“需要昂贵的基础设施来将这些热气流冷却到适当的温度，以使现有的碳捕获技术发挥作用。”
“我们的发现有望改变科学家对碳捕获的看法。我们发现，MOF 可以在前所未有的高温下捕获二氧化碳，这一温度与许多 CO 2排放过程相关。此前人们认为多孔材料不可能做到这一点。”
加州大学伯克利分校研究生兼共同第一作者 Rachel Rohde 表示：“我们的工作摆脱了普遍存在的基于胺的碳捕获系统研究，展示了一种能够在高温下操作的 MOF 碳捕获新机制。”
与所有 MOF 一样，该材料具有多孔的金属离子和有机连接体的晶体阵列，其内部面积相当于每汤匙六个足球场——这是一个巨大的吸附气体的面积。
Carsch 说： “由于其独特的结构，MOF 具有高密度的位点，可以在适当的条件下捕获和释放二氧化碳。 ”
在模拟条件下，研究人员表明，这种新型 MOF 可以捕获与水泥和钢铁制造厂废气浓度相当的热 CO2（平均含有 20% 至 30% 的 CO2 ），也可以捕获天然气发电厂排放的较低浓度的 CO2（含有约 4% 的 CO2 ）。
从工业和发电厂排放中去除二氧化碳，然后将其封存在地下或用于制造燃料或其他增值化学品，是减少导致地球变暖和全球气候改变的温室气体的关键战略。
虽然可再生能源已经减少了对排放二氧化碳和燃烧化石燃料的发电厂的需求，但大量使用化石燃料的工业工厂更难实现可持续发展，因此烟气捕获至关重要。
罗德说：“我们需要开始考虑钢铁和水泥等难以脱碳的行业的二氧化碳排放，因为即使我们的能源基础设施更多地转向可再生能源，它们仍有可能继续排放二氧化碳。”
从胺到金属氢化物
Rohde 和 Carsch 在加州大学伯克利分校化学、化学和生物分子工程以及材料科学与工程教授 Jeffrey Long 的实验室中进行研究。Long十多年来一直在研究 CO 2吸附 MOF。
他的实验室于 2015 年发明了一种前景光明的材料，该材料由 Long 的初创公司 Mosaic Materials 进一步开发，后者于 2022 年被能源技术公司 Baker Hughes 收购。这种材料的特点是胺可以捕获二氧化碳；下一代变体正在作为中试工厂中捕获二氧化碳的水胺替代品进行测试，并作为直接从环境空气中捕获二氧化碳的一种方式。
但卡施表示，这些 MOF 与其他多孔吸附剂一样，在许多烟气产生的高温下是无效的。
胺基吸附剂（如 Long 开发的吸附剂）几十年来一直是碳捕获研究的重点。Rohde、Carsch、Long 及其同事研究的 MOF 则具有孔隙，孔隙上点缀有锌氢化物位点，这些位点也能结合 CO2。Rohde表示，这些位点出奇地稳定。
“分子金属氢化物反应性强，稳定性低，”Rohde 说道。“这种材料非常稳定，可以实现所谓的深度碳捕获，这意味着它可以捕获 90% 或更多与其接触的二氧化碳，这正是点源捕获所需要的。而且它的二氧化碳容量与胺基附加 MOF 相当，但温度要高得多。”
一旦 MOF 中充满 CO2 ，就可以通过降低 CO2 分压（用不同气体冲洗或抽真空）来去除或解吸 CO2 。然后，MOF 便可再次用于另一次吸附循环。
“因为随着温度的升高，熵值会促使二氧化碳等分子越来越多地以气相形式存在，所以人们普遍认为，在 200 摄氏度以上的温度下，用多孔固体捕获此类分子是不可能的，”朗说。
“这项工作表明，只要具备正确的功能（即锌氢化物位点），在 300 摄氏度的高温下确实可以实现快速、可逆、高容量的二氧化碳捕获。”
Rohde、Long 和他们的同事正在探索这种金属氢化物 MOF 的变体，以了解它们可以吸附哪些其他气体，以及允许此类材料吸附更多二氧化碳的改性。
“我们很幸运能有这一发现，它为分离科学开辟了新的方向，重点是设计能在高温下运行的功能性吸附剂，”卡施说道，他在德克萨斯大学奥斯汀分校化学系担任教职。
“我们可以通过多种方式调整 MOF 中的金属离子和连接体，从而可以合理设计此类吸附剂，用于与工业和可持续性相关的其他高温气体分离过程。”
这篇论文的其他作者包括加州大学伯克利分校化学和生物分子工程学教授 Jeffrey Reimer，他的实验室提供了核磁共振光谱证据，支持 MOF 中锌氢化物位点捕获二氧化碳的独特机制；马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所的 Craig Brown，他也提供了支持所提机制的关键结构数据；加州大学伯克利分校化学教授 Martin Head-Gordon，他的实验室提供了对高温二氧化碳捕获行为的计算理解。