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    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(xué)術(shù)領(lǐng)域最為關(guān)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(fù)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(shè)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(xué)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(guān)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?!跋鄬τ谄渌咝阅艿亩趸疾都絼珹LF的性能整體穩(wěn)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(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(shè)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(xué)品在市場上很豐富,也非常容易得到?!?/p>

    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(xué)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)?!眴栴}。一直以來,如何更高效地通過二氧化碳制造甲酸,也是學(xué)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)?;a(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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    2022-11-07
    新材料能給“碳捕獲”技術(shù)迎來大突破嗎?
    碳捕集技術(shù)雖不斷取得進展,但未來仍將任重道遠

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