剑桥研究人员发明可直接吸收空气中二氧化碳的新材料

剑桥大学的研究人员利用带电活性炭开发出一种低能耗碳捕获技术，能够比传统方法更有效地直接从空气中吸收二氧化碳。研究人员发现，通过给木炭"海绵"充入能与二氧化碳形成可逆键的离子，这种带电材料就能成功地直接从空气中捕捉二氧化碳。

与目前的碳捕集方法相比，带电木炭海绵还可能更加节能，因为它需要更低的温度来去除捕集到的二氧化碳，以便将其储存起来。该研究成果发表在《自然》杂志上。

领导这项研究的优素福-哈米德化学系亚历山大-福斯博士说："从大气中捕捉碳排放是最后的手段，但考虑到气候紧急情况的规模，这是我们需要研究的问题。我们必须做的第一件也是最紧迫的事情是在全球范围内减少碳排放，但温室气体清除也被认为是实现净零排放和限制气候变化最坏影响所必需的。实事求是地说，我们必须竭尽全力"。

直接空气捕集是一种潜在的碳捕集方法，它使用海绵状材料从大气中去除二氧化碳，但目前的方法成本高昂，需要高温和使用天然气，而且缺乏稳定性。

福斯说："在使用多孔材料从大气中捕集碳方面，已经开展了一些很有前景的工作。"我们想看看活性炭是否可以作为一种选择，因为它便宜、稳定，而且可以大规模制造。"

活性炭被广泛应用于净水器等净化领域，但它通常无法捕捉和保持空气中的二氧化碳。福斯和他的同事提出，如果活性炭可以像电池一样充电，那么它就可以成为一种合适的碳捕获材料。

给电池充电时，带电离子会进入电池的一个电极。研究人员假设，用氢氧化物这种化合物给活性炭充电，可以使其适用于碳捕获，因为氢氧化物会与二氧化碳形成可逆键。

研究小组利用一种类似电池的充电过程，为一种廉价的活性炭布充入氢氧根离子。在这个过程中，炭布就像电池中的电极，氢氧根离子在炭的微孔中积聚。充电过程结束后，将木炭从"电池"中取出，清洗并烘干。

对带电木炭海绵的测试表明，由于氢氧化物的结合机制，它可以成功地直接从空气中捕获二氧化碳。

"这是一种利用类似电池的工艺制造材料的新方法，"福斯说。"二氧化碳捕获率已经与现有材料相当。但更有希望的是，这种方法的能源密集度要低得多，因为我们不需要高温来收集二氧化碳和再生木炭海绵。"

为了从木炭中收集二氧化碳，使其得到净化和储存，需要对材料进行加热，以逆转氢氧化物-二氧化碳键。目前用于从空气中捕捉二氧化碳的大多数材料都需要加热到高达 900°C 的温度，通常需要使用天然气。然而，剑桥大学团队开发的带电木炭海绵只需要加热到 90-100°C 的温度，使用可再生电力即可达到这一温度。这种材料是通过电阻加热进行加热的，基本上是由内向外加热，因此过程更快，能耗更低。

不过，这种材料也有局限性，研究人员目前正在努力解决这一问题。福斯说："我们正在努力提高二氧化碳的捕获量，尤其是在潮湿的条件下，因为在潮湿的条件下，我们的性能会下降。"

研究人员说，他们的方法可以用于碳捕获以外的领域，因为木炭中的孔隙和插入其中的离子可以进行微调，以捕获一系列分子。

福斯说："这种方法是我们在 COVID-19 大流行期间提出的一个疯狂想法，所以当这些想法真正奏效时，总是令人兴奋的。这打开了一扇门，可以用简单、节能的方式为不同应用制造各种材料。"

编译来源：ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41586-024-07449-2