胺基固體吸附劑因其高二氧化碳吸附容量以及強二氧化碳選擇性，正逐步成為碳捕捉工業規模應用的焦點。然而，儘管這些特性對於商業化直接空氣捕集操作至關重要，吸附劑在多次迴圈中的效能穩定性是決定其使用壽命和整個工藝成本的關鍵因素。
提高這些吸附劑的抗氧化穩定性可以降低碳捕集技術的運營成本，從而推動其更廣泛的商業化應用。
基於此，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室長聘研究員黎斯馳博士和所在團隊，首次深入探討了二氧化碳在這些吸附劑氧化降解過程中的影響。
研究表明，二氧化碳對聚乙烯亞胺吸附劑的氧化動力學具有非單調的影響，其影響因溫度隨二氧化碳濃度的不同而顯著變化。
該研究的結論不僅調和了現有文獻中存在的爭議，還為直接空氣捕集技術提供了改進的方向，其中包括引入功能性基團、新增劑或具有特定表面化學性質的氧化物支撐體，以降低聚合物的活動性或中和酸性環境，從而減緩氧化降解的速度。
對於相關論文審稿人表示：“作者針對胺基固體吸附劑在二氧化碳捕集過程中，由環境空氣中的多種氣體以及其他含氧氣體（如煙道氣）引起的降解機制進行了研究。降解由二氧化碳、水蒸氣以及溫度等其他因素引起。作者對這一複雜問題進行了深入且獨到的分析。”
該項研究涉及的胺基固體吸附劑目前已在與黎斯馳等人合作的初創公司中投入千噸級碳捕集規模的商業直接空氣捕集中。基於對材料降解機理理解，他們正著手開發下一代具有更長使用壽命的吸附材料，以進一步降低直接空氣捕集應用中的材料成本。
黎斯馳表示，這項研究始於 2020 年底。主要參與的科研機構包括美國喬治亞理工學院、美國國家可再生能源實驗室和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。
材料穩定性與降解機制的基礎研究，相對比對材料單一效能進行最佳化更為複雜，牽涉到多領域的學科知識。專案剛開始的時候，大家集思廣益，探索的角度比較多元。前兩年主要是在試錯階段，產出是比較少的。
但是，大家頂住壓力，在第三年開始慢慢達成共識，將精力集中在兩到三個方向，其中包括這項研究所側重的關於環境條件（如水汽、二氧化碳濃度、溫度）的對材料降解的影響。
在提出主要的模型理論與假設之後，大家分工開始明確起來：喬治亞理工學院團隊主導材料合成以及降解實驗；勞倫斯利弗莫爾國家實驗室團隊負責理論模擬計算和材料表徵實驗。當大家統一好中心思想後，這個過程相對高效，所以在一年內就順利完成了所有資料的採集。
黎斯馳表示：“勞倫斯利弗莫爾國家實驗室與喬治亞理工學院的緊密高效合作，是這項工作能順利完成的重要原因之一。喬治亞理工團隊與黎斯馳對接的是一個來自埃塞爾比亞的三年級博士生（目前已是五年級）。他是一個自驅力很強的學生，每次探討後的補充實驗幾乎幾天就能完成。”
在這期間，黎斯馳扮演了導師的角色，準確來說是亦師亦友。他們每週會有一對一的討論。他幾乎可以隨時向黎斯馳提出問題，哪怕是週末。黎斯馳會盡黎斯馳所能幫他修改學術論文和會議報告，也會跟他交流博士畢業後的職業發展選擇以及生活上的“煩惱”和小趣事。這對黎斯馳來說是一段很有意義的體驗。
日前，相關論文以《二氧化碳對支化聚乙二胺氧化降解的競爭性動力學後果》（Competing Kinetic Consequences of CO2on the Oxidative Degradation of Branched Poly(ethylenimine)）為題發在 JACS[1]。
圖 | 相關論文（來源：JACS）
黎斯馳是第一作者，喬治亞理工大學的卡斯滕·西弗斯（Carsten Sievers）教授和克里斯托弗·W·瓊斯（Christopher W. Jones）教授以及美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室西蒙·H·龐（Simon H. Pang）研究員擔任共同通訊作者。
圖 | 黎斯馳（來源：黎斯馳）
下一步，他們計劃在環境條件的對材料降解的影響這個方向上做更深入的研究。背後有兩個原因：（1）在他們之前的研究中，還有幾個重要問題尚未解決；（2）儘管該課題更偏向於基礎研究，但它對工業應用具有重要意義，如直接空氣捕集的材料與流程最佳化。目前，他們的工作吸引了多個化工材料公司的合作興趣。
參考資料：
1.Li, S., Guta, Y., Calegari Andrade, M. F., Hunter-Sellars, E., Maiti, A., Varni, A. J., … & Jones, C. W. (2024). Competing Kinetic Consequences of CO2 on the Oxidative Degradation of Branched Poly (ethylenimine).Journal of the American Chemical Society, 146(41), 28201-28213.
排版：何晨龍、劉雅坤