新材料能給“碳捕獲”技術迎來大突破嗎？

2022-11-07 22:47:50來源：iDoNews

文/李里里

(相關資料圖)

在全球范圍內，二氧化碳等溫室氣體的產生，主要來自化石燃料的燃燒，消耗化石燃料最大的產業是化石能源發電廠。據IEA數據顯示，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電廠廢氣中的CO2，已成為學術領域最為關心的研究方向之一。

近日，美國國家標準與技術研究所在《Science Adance》雜志上，發表了一項研究成果。成果表明，可以通過合成一種簡單經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。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（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的性能整體穩定，而且制造簡單。”

“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”優勢。

甲酸鋁吸收二氧化碳的理論模型圖片來源：Science Advances

據了解，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轉化為另外一種形式，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。隨著制造規模的擴大，工程師們仍需要去設計一個更合適的工藝流程和技術，來進行生產和制造。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等。

碳捕集技術的發展，也一直都受限于“成本”問題。據生態環境部環境規劃院數據顯示，在石化和化工行業，碳捕集運行成本主要來自捕集和壓縮環節，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：“現在，已經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合，制造更多的甲酸。如果與ALF相結合，將是一個有助于地球的解決方案。”

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、技術和規模”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實現規模化生產的話題。

雖然碳捕集技術正不斷地取得進展，但未來的路依然任重而道遠。

新材料能給“碳捕獲”技術迎來大突破嗎？

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