這種“活性炭海綿”，能直接“抓走”空氣中的二氧化碳

出品：科普中國

作者：郭菲（煙臺大學(xué)）

監(jiān)制：中國科普博覽

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氣候變化對人類社會和自然環(huán)境的影響越來越顯著，減少溫室氣體排放、緩解溫室效應(yīng)已成為全球共識。各國政府和科學(xué)界正在積極探索各種解決方案，而二氧化碳的捕獲和封存技術(shù)是其中備受關(guān)注的重點(diǎn)之一。

近日，劍橋大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新方法，利用改性活性炭來高效、低成本地從大氣中捕獲二氧化碳。這一突破性成果為應(yīng)對日益嚴(yán)峻的全球變暖問題、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供了新的可能性。

全球建議二氧化碳截存（所有不同深度灰色系列）相對于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)（所有不同深度藍(lán)色系列）的比較。天然氣處理廠的截存達(dá)成率超過75%，其他工業(yè)項(xiàng)目實(shí)成率約為60%，發(fā)電廠的約為10%。

（圖片來源：維基百科）

活性炭：家用濾水器中的“秘密武器”

活性炭，也被稱為活性碳或活性炭素，是一種由碳材料制成的多孔物質(zhì)。它通常由木材、煤炭、椰殼等富含碳元素的原料在高溫?zé)o氧條件下炭化而成。

在炭化過程中，原料中的非碳元素被去除，同時內(nèi)部形成大量微孔，使得活性炭具有極大的比表面積和優(yōu)異的吸附性能。

活性炭的多孔表面

（圖片來源：維基百科）

活性炭最常見的應(yīng)用之一就是家用濾水器。它能夠有效去除水中的氯氣、有機(jī)物、重金屬離子等各類污染物質(zhì)，提供潔凈、健康的飲用水。除了凈水領(lǐng)域，活性炭還被廣泛用于空氣凈化、食品加工、化工生產(chǎn)等諸多行業(yè)。

它強(qiáng)大的吸附能力源于其獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)：每克活性炭的表面積可達(dá)500—1500平方米，相當(dāng)于兩個網(wǎng)球場的面積。這種高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)使其能夠吸附并固定大量的氣體、液體或固體分子。

活性炭吸附染料示意圖（右側(cè)杯內(nèi)為吸附前的狀態(tài)）

（圖片來源：維基百科）

正是活性炭卓越的吸附性能啟發(fā)了劍橋大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)。他們設(shè)想，如果能夠?qū)钚蕴窟M(jìn)行改性，提高其對二氧化碳的選擇性吸附能力，就可以開發(fā)出一種高效、經(jīng)濟(jì)的碳捕獲技術(shù)。

于是，他們嘗試通過類似給電池充電的方式，對活性炭施加特定的電場，使其表面富集電荷，從而增強(qiáng)對帶電二氧化碳分子的吸引力。這就是“充電活性炭海綿”技術(shù)的核心原理。

“捕獲”二氧化碳：應(yīng)對氣候變化的“最后手段”

為了遏制全球變暖趨勢，《巴黎協(xié)定》提出了將本世紀(jì)全球平均氣溫升幅控制在2°C以內(nèi)、力爭限制在1.5°C以內(nèi)的目標(biāo)。這意味著人類必須在本世紀(jì)下半葉實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈零排放，即通過減排和碳捕獲等手段，實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放量和去除量的平衡。

然而，單靠減少化石燃料使用、提高能源效率等減排措施來控制二氧化碳排放還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。據(jù)政府間氣候變化專門委員會（IPCC）估計(jì)，為了達(dá)到1.5°C的控溫目標(biāo)，除了大幅減排外，我們還需要在2050年前每年從大氣中移除50億—110億噸二氧化碳。

目前，植樹造林是最常用的碳移除方法，但其潛力有限，難以滿足如此大規(guī)模的需求。因此，研發(fā)高效、可擴(kuò)展的碳捕獲和儲存技術(shù)就成為當(dāng)務(wù)之急。

“充電活性炭海綿”研究的負(fù)責(zé)人亞歷山大·福爾斯博士坦言，從大氣中捕獲二氧化碳應(yīng)該是應(yīng)對氣候變化的“最后手段”。畢竟，與從源頭減排相比，這種事后補(bǔ)救的方式成本更高、效率更低?！暗紤]到氣候危機(jī)的嚴(yán)重性，這是我們必須探索的方向?！备査共┦繌?qiáng)調(diào)：“現(xiàn)實(shí)地說，我們必須竭盡所能?！?/p>

事實(shí)上，碳捕獲和儲存（CCS）技術(shù)已經(jīng)成為國際社會應(yīng)對氣候變化的重要選項(xiàng)之一。各國政府和企業(yè)正在加大對CCS的投資和部署力度。國際能源署預(yù)測，到2050年，CCS需要貢獻(xiàn)全球減排量的13%左右。

然而，當(dāng)前CCS技術(shù)大多針對電廠、鋼鐵廠等大型點(diǎn)源，而對于分散的移動源和既有大氣中的二氧化碳，則缺乏經(jīng)濟(jì)高效的捕獲手段。這正是“充電活性炭海綿”的研究動機(jī)所在。

利用地形和環(huán)境來吸收和固定火力發(fā)電廠排放的二氧化碳的方法

（圖片來源：維基百科）

“充電”活性炭：更簡單、更高效

傳統(tǒng)的二氧化碳捕獲材料，如氨基功能化的多孔硅膠、金屬有機(jī)框架等，通常需要在高達(dá)900°C的溫度下進(jìn)行再生，才能釋放出吸附的二氧化碳以便儲存。這不僅能耗巨大，而且可能導(dǎo)致材料性能的快速衰減。

相比之下，劍橋大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“充電”活性炭海綿展現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過“充電”處理的活性炭在吸附二氧化碳后，只需加熱到90—100°C就能有效釋放出捕獲的二氧化碳。這一溫度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)材料，可以通過工業(yè)余熱或可再生能源（如太陽能、地?zé)岬龋?shí)現(xiàn)，因此更加環(huán)保、節(jié)能。此外，這種加熱過程是從材料內(nèi)部開始的，避免了表面的局部過熱，進(jìn)一步提高了能源利用效率。

那么，“充電”是如何增強(qiáng)活性炭吸附二氧化碳的能力的呢？研究人員解釋道，施加電場會在活性炭表面引入額外的電荷，使其對極性的二氧化碳分子產(chǎn)生更強(qiáng)的靜電引力。同時，電場還可能改變活性炭的孔道結(jié)構(gòu)，為二氧化碳分子的吸附提供更多停留點(diǎn)。這些機(jī)制的共同作用，顯著提高了充電活性炭對二氧化碳的吸附容量和選擇性。

值得一提的是，“充電”過程本身并不復(fù)雜。研究團(tuán)隊(duì)使用了一種類似于鋰離子電池的裝置，以活性炭為正極，金屬鋰為負(fù)極，二者之間填充電解液。通過外加電壓，鋰離子嵌入活性炭表面，形成表面電荷。這種裝置設(shè)計(jì)簡單，操作方便，有望實(shí)現(xiàn)低成本、大規(guī)模生產(chǎn)。

給活性炭網(wǎng)絡(luò)“充電”的過程示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

挑戰(zhàn)與展望

盡管“充電活性炭海綿”在二氧化碳捕獲方面表現(xiàn)出色，但要真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，仍有一些挑戰(zhàn)需要克服。首先是吸附容量的進(jìn)一步提升。目前，每克充電活性炭最多可吸附3—4毫摩爾的二氧化碳，與理論最大值還有一定差距。研究團(tuán)隊(duì)正在通過優(yōu)化活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)等方法來提高其吸附性能。

其次是材料的長期穩(wěn)定性問題。反復(fù)的吸附-再生循環(huán)可能導(dǎo)致活性炭孔道坍塌、表面電荷流失等性能衰減。如何確保材料在多次使用后仍能保持高效吸附，是需要攻克的難題。研究人員計(jì)劃通過表面包覆、摻雜等手段來增強(qiáng)活性炭的結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性。

此外，技術(shù)的放大應(yīng)用也面臨諸多考驗(yàn)，如反應(yīng)器設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、成本控制等。將實(shí)驗(yàn)室的樣品制備放大到工業(yè)化生產(chǎn)，需要在材料、工藝、裝備等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，這需要產(chǎn)學(xué)研各界的通力合作和持續(xù)投入。

盡管挑戰(zhàn)不少，但“充電活性炭海綿”技術(shù)仍然令人感到鼓舞。它為開發(fā)更高效、更環(huán)保的碳捕獲材料指明了一個全新的方向。福爾斯博士表示，這種策略不僅局限于活性炭，也可以拓展到其他多孔材料體系，用于不同領(lǐng)域的氣體分離與凈化。

作為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵路徑之一，CCS正受到各國政府、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的高度重視?！俺潆娀钚蕴亢＞d”的問世，無疑為這一領(lǐng)域注入了新的活力。它簡單、高效、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)有望推動CCS技術(shù)的發(fā)展和普及，為人類社會應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)貢獻(xiàn)一份力量。

參考文獻(xiàn)：

1. Capturing carbon dioxide from air with charged-sorbents. Huaiguang Li, Mary E. Zick, Teedhat Trisukhon, Matteo Signorile, Xinyu Liu, Helen Eastmond, Shivani Sharma, Tristan L. Spreng, Jack Taylor, Jamie W. Gittins, Cavan Farrow, S. Alexandra Lim, Valentina Crocellà, Phillip J. Milner & Alexander C. Forse

2. Scientists charge 'charcoal sponge' to soak up CO2. BBC News

3. Cambridge researchers unveil ‘electric sponge’ to capture CO2. Dominic Ellis

4. 科技日報(bào)：直接“抓走”空氣中的二氧化碳，有辦法嗎？