科学家展示可直接从空气中提取二氧化碳的新型碳捕集方法

随着全球社会逐步实现工业生产的去碳化，不仅要防止大气中产生新的碳，还要提取已经存在的二氧化碳。

传统的碳捕集侧重于在重碳工艺中从排放点收集二氧化碳，而"直接空气捕集"（DAC）则是在一般大气条件下提取碳。这种方法在应对气候变化的斗争中变得越来越重要，特别是随着我们对化石燃料依赖的减少，从源头捕集碳的必要性也在降低。利用湿度技术，科学家们发现了几种有助于低能耗碳封存的新离子。

美国西北大学的最新研究展示了一种从周围环境条件中捕捉碳的新方法，该方法研究了系统中水和二氧化碳之间的关系，为"湿度摆动"技术提供了参考，该技术在低湿度时捕捉二氧化碳，在高湿度时释放二氧化碳。这种方法结合了创新的动力学方法和多种离子，几乎可以从任何地方去除碳。

这项研究最近发表在《环境科学与技术》杂志上。

该研究的资深作者、西北大学的 Vinayak P. Dravid 说："我们不仅扩大和优化了碳捕集离子的选择，还有助于揭示复杂的流体-表面相互作用的基本原理。这项工作推进了我们对 DAC 的集体理解，我们的数据和分析为理论家和实验家进一步改进实际条件下的碳捕集提供了强大的动力。"

德拉维德是西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程系亚伯拉罕-哈里斯教授，也是国际纳米技术研究所全球倡议主任。博士生约翰-赫加蒂（John Hegarty）和本杰明-辛德尔（Benjamin Shindel）是论文的共同第一作者。

辛德尔说，论文背后的想法来自于利用环境条件促进反应的愿望。"我们喜欢湿摆式碳捕集，因为它没有明确的能源成本，尽管对一定量的空气进行加湿需要一定的能量，但理想情况下，你可以'免费'获得湿度，在能量上可以依靠一个天然的干湿空气库相邻的环境"。

新离子促进了碳捕获。资料来源：德拉维德实验室/西北大学

该研究小组还扩大了用于使反应成为可能的离子数量。

约翰-赫加蒂说："我们不仅将能够实现理想的湿度碳捕获的离子数量增加了一倍，而且还发现了迄今为止性能最高的系统。"

近年来，湿度摆动捕集技术已经开始兴起。传统的碳捕集方法使用吸附剂在源点位置捕集二氧化碳，然后利用热量或产生的真空将二氧化碳从吸附剂中释放出来。这种方法的能源成本很高。

传统的碳捕集方法会紧紧抓住二氧化碳，这意味着需要大量能源才能将其释放并重新利用。这种方法也不是在所有地方都适用。例如，农业、混凝土和钢铁制造商是主要的排放源，但它们的占地面积很大，因此不可能从单一来源捕集碳。较富裕的国家应努力将排放量降到零以下，而更依赖碳经济的发展中国家则应减少二氧化碳的生产。

另一位资深作者、化学教授奥马尔-法尔哈（Omar Farha）在探索金属氧化物框架（MOF）结构在二氧化碳捕集和封存等多种应用中的作用方面拥有丰富的经验。

"DAC是一个复杂的多方面问题，需要跨学科的方法，"Farha说。"我对这项工作的欣赏之处在于对复杂参数进行了详细而仔细的测量。任何提议的机制都必须解释这些错综复杂的观测结果。"

过去的研究人员一直专注于碳酸根离子和磷酸根离子来促进水分摆动捕获，并对这些特定离子有效的原因提出了具体的假设。但德拉维德的研究小组希望测试更广泛的离子，观察哪些离子最有效。总的来说，他们发现价态最高的离子--主要是磷酸盐最有效，于是他们开始寻找多价离子，排除了一些离子，并找到了对这种应用有效的新离子，包括硅酸盐和硼酸盐。

研究小组相信，未来的实验加上计算建模将有助于更好地解释为什么某些离子比其他离子更有效。

目前已经有公司致力于将直接空气碳捕集商业化，利用碳信用额激励公司抵消排放。许多公司捕捉的是通过改变农业生产方式等活动已经捕捉到的碳，而这种方法可以明确地直接从大气中封存二氧化碳，然后将其浓缩并最终储存或再利用。

德拉维德的团队计划将这种二氧化碳捕集材料与他们早先开发的多孔海绵平台结合起来，以清除包括石油、磷酸盐和微塑料在内的环境毒素。