碳捕获技术的突破：以湿度为动力的薄膜从空气中抽取二氧化碳

纽卡斯尔大学开发的一种新型膜技术利用湿度高效捕集二氧化碳，为实现气候目标所必需的可持续直接空气捕集提供了一种前景广阔的解决方案。

英国纽卡斯尔大学工程学院新兴技术皇家工程院教席、首席研究员 Ian Metcalfe 教授指出："稀释分离过程是最具挑战性的分离过程，主要有两个原因。首先，由于浓度低，以去除稀释成分为目标的化学反应动力学（速度）非常缓慢。其次，浓缩稀释成分需要大量能量。"

这就是纽卡斯尔的研究人员（与新西兰惠灵顿维多利亚大学、英国伦敦帝国理工学院、英国牛津大学、英国斯特拉思克莱德大学和英国伦敦大学学院的同事们一起）打算用他们的新膜工艺来解决的两个难题。通过利用自然产生的湿度差异作为从空气中抽取二氧化碳的动力，研究小组克服了能源挑战。水的存在也加速了二氧化碳在膜中的传输，从而解决了动力学难题。

这项研究成果发表在《自然-能源》杂志上，英国皇家工程院院士 Greg A. Mutch 博士也参与了这项研究。Mutch 博士解释说："直接空气捕集将是未来能源系统的关键组成部分。我们需要它来捕获移动式、分布式二氧化碳排放源的排放物，这些排放物无法通过其他方式轻松实现脱碳。在我们的工作中，我们展示了首个能够从空气中捕获二氧化碳并提高其浓度的合成膜，而无需热量或压力等传统能源输入。我认为，面粉厂的水轮可能是一个有用的比喻。磨粉机利用水的下坡输送来推动磨粉，而我们则利用水的下坡输送来从空气中抽取二氧化碳。"

分离过程支撑着现代生活的方方面面。从我们吃的食物到我们服用的药物，再到我们汽车中的燃料或电池，我们使用的大多数产品都经过了多个分离过程。此外，分离过程对于最大限度地减少废物和环境补救（如直接在空气中捕获二氧化碳）的需求也非常重要。

然而，在向循环经济发展的世界里，分离过程将变得更加重要。在这种情况下，直接空气捕集可用于提供二氧化碳，作为制造我们今天使用的许多碳氢化合物产品的原料，但其循环过程是碳中和的，甚至是负碳的。

最重要的是，除了向可再生能源过渡和从发电厂等点源进行传统碳捕集之外，直接空气捕集对于实现气候目标（如《巴黎协定》设定的 1.5 °C 目标）也是必要的。

英国纽卡斯尔大学工程学院高级讲师 Evangelos Papaioannou 博士解释说："与典型的膜操作不同，正如研究论文中所描述的那样，研究小组测试了一种新型二氧化碳渗透膜，在膜上施加了各种湿度差异。当膜输出侧的湿度较高时，膜会自发地将二氧化碳泵入输出流中。"

通过与 UCL 和牛津大学的合作者共同使用 X 射线微计算机断层扫描技术，研究小组能够精确地确定膜结构的特征。这使他们能够与其他最先进的膜进行可靠的性能比较。

这项工作的一个关键方面是在分子尺度上对膜中发生的过程进行建模。通过与惠灵顿维多利亚大学和伦敦帝国理工学院的合作者进行密度函数理论计算，研究小组确定了膜内的"载体"。这种载体能独特地运输二氧化碳和水，但不能运输其他物质。从膜中释放二氧化碳需要水，释放水也需要二氧化碳。正因为如此，湿度差产生的能量可以用来驱动二氧化碳通过膜从低浓度向高浓度移动。

梅特卡夫教授补充说："这是一项历时数年的真正的团队工作。我们非常感谢合作者的贡献以及英国皇家工程院和工程与物理科学研究理事会的支持。"

编译自/scitechdaily