工程师利用水分从空气中吸收二氧化碳

在凯尔西·哈泽尔实验室的一角，有一个小罐子，里面装满了一种材料，这种材料的能力远远超出了其不起眼的外观所暗示的能力：一种通过简单地改变周围湿度来捕获和释放大气中二氧化碳的方法。

这种材料可以削减与所谓的直接空气捕获系统相关的能源成本，该系统通常依赖于能源密集型的温度或压力变化来在碳捕获和释放之间切换。通过依赖湿度，该材料可以将能源效率提高到现有技术的五倍以上。研究人员在《环境科学与技术快报》上报告了他们的发现。

直接空气捕获系统被认为是应对气候变化的一种方法，它可以将空气中的二氧化碳永久储存在地下或转化为有用的产品。

“人们对直接空气捕获系统的兴趣激增，因为它们不仅是减少碳排放的一种方法，而且实际上可以将碳排放从大气中去除，”研究负责人、机械和航空航天工程助理教授哈泽尔说。安德林格能源与环境中心指出，美国能源部最近斥资35亿美元在全国范围内开发四个区域直接空气捕获中心。

尽管有其前景，但直接空气捕获仍受到密切关注，因为它比几乎任何其他碳捕获应用都需要更多的能量来执行。这是因为环境空气中二氧化碳的浓度被极度稀释，特别是与来自燃煤发电厂等点源排放物的废气相比。

该过程中最耗能的步骤之一是再生。从环境空气中捕获二氧化碳后，传统系统需要改变热量和/或压力以将气体释放到储存装置中，以便系统准备好捕获更多碳。在一种使用液体溶剂的方法中，再生步骤需要将碳捕获材料加热到300°C至900°C的温度。

相比之下，之前的研究表明，利用湿度再生碳捕获材料只需要添加或去除水蒸气。这种方法极大地减少了去除一吨二氧化碳所需的能源，从使用传统技术的最多4.1吉焦耳减少到仅0.7吉焦耳，每吨二氧化碳节省的能源比美国普通家庭一个月使用的能源还多。

为了实现基于湿度的方法，普林斯顿大学团队修改了现有类型的离子交换树脂，这种材料可以与周围环境交换带电粒子。这些树脂已用于一系列商业目的，使其用途广泛且价格低廉。

而且，这些树脂的表面布满了无数微小的孔隙，直径只有6纳米。碳捕获过程发生在这些空腔内。在低湿度下，孔隙中会发生一系列化学反应，使它们能够从进入的空气流中捕获二氧化碳。在高湿度下，会发生相反的情况：材料释放其结合的碳并为另一轮捕获做好准备。

“我们可以简单地改变系统中的水蒸气量来再生整个材料，”第一作者、安德林格能源与环境中心的博士后研究员朱亚光说。“通过这种方式，我们可以最大限度地减少在这个过程中投入的能量。”

研究人员研究了在纳米尺度上控制和修改材料的方法，以实现更有效的水分波动碳捕获。他们发现，用高碱性、带负电的离子(例如磷酸盐和碳酸盐)填充孔隙可以产生最高的碳捕获能力。

该团队还探索了离子交换树脂的物理结构，为未来基于湿度的碳捕获的设计策略提供信息。例如，他们发现，虽然微小的孔隙对于确定可捕获的二氧化碳总量很重要，但它们对实际捕获速度影响不大。容量和捕获率都是设计和扩大工厂规模以满足未来减排需求的重要考虑因素。

相反，除了微小孔隙之外，还具有较大孔隙的材料可以以更高的速率捕获和释放碳，因为较大的孔隙可以快速将水输送进和输送出材料。

“微小的微孔——只有几纳米宽——对于可逆碳捕获反应非常重要，”朱说。“但我们发现较大的孔隙对于运输水更重要，因此对碳捕获率有很大影响。”

研究人员正在继续研究该材料响应湿度波动捕获和释放能力背后的基础科学，但他们指出，该技术的低能源成本加上其廉价的材料使其成为未来扩大规模的有希望的候选者。

如果扩大规模，基于湿度的再生方法还可以提供有趣的机会，利用环境中自然发生的湿度波动来进一步降低能源成本。合著者奥斯汀·布斯(AustinBooth)是一名化学和生物工程专业的研究生，他表示，经常在干燥和潮湿条件之间波动的地点可能是此类技术的理想选择。

“你可以想象，在一个每天都有湿度循环的地方，理论上你可以在几乎不需要外部能量输入的情况下运行这个过程，”布斯说。

虽然该技术的碳捕获能力自然使其适合直接空气捕获应用，但哈泽尔表示，基础科学可能会对一系列应用产生影响，包括能源存储——她的团队的关键研究领域之一。

“基础科学可以应用于化学工业中的许多不同的分离问题，”哈泽尔说。“这项工作最终是关于调整材料的化学性质，以减少给定过程所需的能量，这种信息具有非常广泛的吸引力。”

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