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美國西北大學開發(fā)出了一種用于直接空氣碳捕集(DAC)的"濕度擺動"技術，該技術利用一系列離子在低濕度時捕集二氧化碳，并在高濕度時釋放二氧化碳。這項研究加深了人們對 DAC 的理解，并提供了一種比傳統(tǒng)技術更節(jié)能的碳捕獲方法。
隨著全球社會逐步實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的去碳化，不僅要防止大氣中產(chǎn)生新的碳，還要提取已經(jīng)存在的二氧化碳。
傳統(tǒng)的碳捕集側(cè)重于在重碳工藝中從排放點收集二氧化碳，而"直接空氣捕集"(DAC)則是在一般大氣條件下提取碳。這種方法在應對氣候變化的斗爭中變得越來越重要，特別是隨著我們對化石燃料依賴的減少，從源頭捕集碳的必要性也在降低。利用濕度技術，科學家們發(fā)現(xiàn)了幾種有助于低能耗碳封存的新離子。
美國西北大學的最新研究展示了一種從周圍環(huán)境條件中捕捉碳的新方法，該方法研究了系統(tǒng)中水和二氧化碳之間的關系，為"濕度擺動"技術提供了參考，該技術在低濕度時捕捉二氧化碳，在高濕度時釋放二氧化碳。這種方法結(jié)合了創(chuàng)新的動力學方法和多種離子，幾乎可以從任何地方去除碳。
這項研究最近發(fā)表在《環(huán)境科學與技術》雜志上。
該研究的資深作者、西北大學的 Vinayak P. Dravid 說："我們不僅擴大和優(yōu)化了碳捕集離子的選擇，還有助于揭示復雜的流體-表面相互作用的基本原理。這項工作推進了我們對 DAC 的集體理解，我們的數(shù)據(jù)和分析為理論家和實驗家進一步改進實際條件下的碳捕集提供了強大的動力。"
德拉維德是西北大學麥考密克工程學院材料科學與工程系亞伯拉罕-哈里斯教授，也是國際納米技術研究所全球倡議主任。博士生約翰-赫加蒂(John Hegarty)和本杰明-辛德爾(Benjamin Shindel)是論文的共同第一作者。
辛德爾說，論文背后的想法來自于利用環(huán)境條件促進反應的愿望。"我們喜歡濕擺式碳捕集，因為它沒有明確的能源成本，盡管對一定量的空氣進行加濕需要一定的能量，但理想情況下，你可以'免費'獲得濕度，在能量上可以依靠一個天然的干濕空氣庫相鄰的環(huán)境"。
新離子促進了碳捕獲。資料來源：德拉維德實驗室/西北大學
該研究小組還擴大了用于使反應成為可能的離子數(shù)量。
約翰-赫加蒂說："我們不僅將能夠?qū)崿F(xiàn)理想的濕度碳捕獲的離子數(shù)量增加了一倍，而且還發(fā)現(xiàn)了迄今為止性能最高的系統(tǒng)。"
近年來，濕度擺動捕集技術已經(jīng)開始興起。傳統(tǒng)的碳捕集方法使用吸附劑在源點位置捕集二氧化碳，然后利用熱量或產(chǎn)生的真空將二氧化碳從吸附劑中釋放出來。這種方法的能源成本很高。
傳統(tǒng)的碳捕集方法會緊緊抓住二氧化碳，這意味著需要大量能源才能將其釋放并重新利用。這種方法也不是在所有地方都適用。例如，農(nóng)業(yè)、混凝土和鋼鐵制造商是主要的排放源，但它們的占地面積很大，因此不可能從單一來源捕集碳。較富裕的國家應努力將排放量降到零以下，而更依賴碳經(jīng)濟的發(fā)展中國家則應減少二氧化碳的生產(chǎn)。
另一位資深作者、化學教授奧馬爾-法爾哈(Omar Farha)在探索金屬氧化物框架(MOF)結(jié)構(gòu)在二氧化碳捕集和封存等多種應用中的作用方面擁有豐富的經(jīng)驗。
"DAC是一個復雜的多方面問題，需要跨學科的方法，"Farha說。"我對這項工作的欣賞之處在于對復雜參數(shù)進行了詳細而仔細的測量。任何提議的機制都必須解釋這些錯綜復雜的觀測結(jié)果。"
過去的研究人員一直專注于碳酸根離子和磷酸根離子來促進水分擺動捕獲，并對這些特定離子有效的原因提出了具體的假設。但德拉維德的研究小組希望測試更廣泛的離子，觀察哪些離子最有效。總的來說，他們發(fā)現(xiàn)價態(tài)最高的離子--主要是磷酸鹽最有效，于是他們開始尋找多價離子，排除了一些離子，并找到了對這種應用有效的新離子，包括硅酸鹽和硼酸鹽。
研究小組相信，未來的實驗加上計算建模將有助于更好地解釋為什么某些離子比其他離子更有效。
目前已經(jīng)有公司致力于將直接空氣碳捕集商業(yè)化，利用碳信用額激勵公司抵消排放。許多公司捕捉的是通過改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式等活動已經(jīng)捕捉到的碳，而這種方法可以明確地直接從大氣中封存二氧化碳，然后將其濃縮并最終儲存或再利用。
德拉維德的團隊計劃將這種二氧化碳捕集材料與他們早先開發(fā)的多孔海綿平臺結(jié)合起來，以清除包括石油、磷酸鹽和微塑料在內(nèi)的環(huán)境毒素。
原標題：科學家展示可直接從空氣中提取二氧化碳的新型碳捕集方法
