新材料能給“碳捕獲”技術(shù)迎來大突破嗎？

文/李里里

在全球范圍內(nèi)，二氧化碳等溫室氣體的產(chǎn)生，主要來自化石燃料的燃燒，消耗化石燃料最大的產(chǎn)業(yè)是化石能源發(fā)電廠。據(jù)IEA數(shù)據(jù)顯示，2021年全球排放的二氧化碳中，有36%來源于燃煤電廠，如何減少化石燃料發(fā)電廠廢氣中的CO2，已成為學術(shù)領域最為關心的研究方向之一。

近日，美國國家標準與技術(shù)研究所在《Science Adance》雜志上，發(fā)表了一項研究成果。成果表明，可以通過合成一種簡單經(jīng)濟且可重復使用的材料—甲酸鋁，來解決化石燃料在燃燒時，會排放出大量二氧化碳的問題。

圖片來源：Science Advances?

解決方式也被稱為“碳捕獲”技術(shù)。研究報告表明，合成的材料“金屬有機框架Al（HCOO）3（ALF）”，能夠表現(xiàn)出了強力的二氧化碳吸附能力，面對二氧化碳和氮氣時，也能表現(xiàn)出出色的二氧化碳“選擇性”，材料也能夠在49.85攝氏度高溫下，從二氧化碳的干氣流中“吸收”二氧化碳。研究人員將這種甲酸鋁材料簡稱為“ALF”，因為具有將CO2從其他氣體中分離出來的“特殊天賦”。

在具體減碳方面，論文也從使用材料的角度提出了解決方案，即在廢氣進入大氣層之前，就通過“甲酸鋁”將其中的二氧化碳進行充分“吸收”和“過濾”。

吸收二氧化碳設計方案 圖片來源：Science Advances?

不過，這種通過“碳捕獲材料”吸收二氧化碳的技術(shù)并不是首次提出。早在20世紀80年代末，麻省理工學院提出“二氧化碳捕集和封裝技術(shù)（CCS）”后，通過捕集CO2以減少溫室氣體排放的概念就廣為流傳，相關的材料也在不斷被研制和使用。但這些材料，一直存在分離效率不高和單位體積吸收率低等問題。

這篇論文的作者Hayden Evans對此表示，雖然一直以來，主流的碳捕獲材料如活性炭、硅鋁酸鹽、聚丙烯中空纖維等仍存在各種問題，但這款“甲酸鋁”并沒有這些碳過濾材料所具有的常見缺點。“相對于其他高性能的二氧化碳捕集吸附劑，ALF的性能整體穩(wěn)定，而且制造簡單?！?/p>

“甲酸鋁”材料屬于金屬有機框架MOFs，MOF是由有機配體和金屬離子合成，或團簇微粒通過配位鍵自組裝形成的具有分子內(nèi)孔隙的有機-無機雜化材料，它們在過濾和分離有機材料（通常是化石燃料中的各種碳氫化合物）方面，存在著先天的“基因”優(yōu)勢。

甲酸鋁吸收二氧化碳的理論模型 圖片來源：Science Advances?

據(jù)了解，在提煉天然氣或分離汽油中的辛烷成分方面，合成的一些MOFs材料也顯示出較大的使用價值，其他的MOFs也能被用于降低塑料制造成本，或者更廉價地將一種物質(zhì)轉(zhuǎn)化為另外一種形式，而它們的這種分離能力正是由于雜化材料本身固有的“多縫隙性”。

雖然從性能上看，新型材料具有極高的使用價值，但目前并不能立即進行普及推廣。隨著制造規(guī)模的擴大，工程師們?nèi)孕枰ピO計一個更合適的工藝流程和技術(shù)，來進行生產(chǎn)和制造。當把“ALF”應用到燃煤電廠時，也同樣需要進行兼容性的測試，并在使用材料時降低需要洗滌煙氣的濕度參數(shù)等。

碳捕集技術(shù)的發(fā)展，也一直都受限于“成本”問題。據(jù)生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院數(shù)據(jù)顯示，在石化和化工行業(yè)，碳捕集運行成本主要來自捕集和壓縮環(huán)節(jié)，如果以火電為例，安裝碳捕集裝置之后，會導致成本增長幅度達到0.26~0.4元/kWh。

有時單個工廠可能需要多達數(shù)萬噸的碳過濾材料，能否降低成本，也就成了能否成功推廣”碳捕獲技術(shù)的核心因素，ALF則在成本方面取得相應的突破。Hayden Evans對此表示：“未來，ALF的成本將低于每公斤1美元，這個價格，比具有類似性能的其他材料，便宜近100倍。因為ALF是由氫氧化鋁和甲酸制成的，這兩種化學品在市場上很豐富，也非常容易得到。”

但除了成本外，如何處理捕獲二氧化碳之后的材料，也是廠商們感到“頭疼”的問題。Evans表示：“現(xiàn)在，已經(jīng)有許多科學家在研究如何處理捕獲到的二氧化碳和材料，我們最終有可能會利用太陽能從水中分離出氫氣，然后將氫氣與二氧化碳結(jié)合，制造更多的甲酸。如果與ALF相結(jié)合，將是一個有助于地球的解決方案?！?/p>

但從制造氫氣，再到用二氧化碳制造甲酸，又會衍生出新的“成本、技術(shù)和規(guī)模”問題。一直以來，如何更高效地通過二氧化碳制造甲酸，也是學術(shù)界的重點攻克方向，并不是簡單地添加催化劑或者達到高溫就能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的話題。

雖然碳捕集技術(shù)正不斷地取得進展，但未來的路依然任重而道遠。

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