研究人員周子暉（Zihui Zhou）拿著一瓶COF-999，這種材料可以從空氣中清除二氧化碳。（圖片來源：Zihui Zhou / UC Berkeley）
撰文 | 亞歷克·盧恩（Alec Luhn）
翻譯 | 王越
科學家和工程師正在研發大型裝置，用於從大氣中吸收二氧化碳。不過，這項技術不僅能耗巨大，成本也居高不下——每捕獲一噸二氧化碳，花費可能高達1000美元。最近，美國加利福尼亞大學伯克利分校的化學家團隊取得了一項新進展。他們研製出了一種黃色粉末，能更高效地吸收二氧化碳，有望為這一領域帶來突破。
詳細預測表明，為了實現氣候目標，全球需要從大氣中移除的二氧化碳，遠遠超過目前的捕獲水平。為此，美國正在向開發直接空氣捕獲（direct air capture，DAC）技術的初創公司投入數十億美元。這項技術用風扇將空氣吹過鹼性材料，這些材料能夠與略呈酸性的二氧化碳結合。
加利福尼亞大學伯克利分校的研究生周子暉（Zihui Zhou）和教授奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi）提出了一種新方法。他們將胺類化合物嵌入一種被稱為共價有機框架（covalent organic framework，COF）的晶體化合物中，後者表面積巨大。他們最終研製出了一種粉末，並將其命名為COF-999。
這種粉末由碳氫化合物構成的微觀支架組成，支架透過超強的碳-氮鍵和碳-碳鍵連線，類似於鑽石中的化學鍵。胺類化合物則嵌在支架的空隙中，隨時準備捕捉經過的二氧化碳分子。研究人員在《自然》（Nature）上報道稱，當他們將空氣泵過裝滿COF-999的管道時，這種粉末捕捉二氧化碳的速度創下了歷史紀錄。亞吉表示：“我們完全清除了空氣中的二氧化碳。”
除了裝置，直接空氣捕獲技術的最大成本通常是加熱吸附材料所需的能量。加熱的目的是讓材料釋放捕獲的二氧化碳，這些二氧化碳隨後會被封存或被用於工業。COF-999只需加熱至60攝氏度時就能釋放二氧化碳，遠低於目前DAC工廠所需的100攝氏度以上。並且研究表明，在超過100次的捕獲和釋放迴圈後，粉末的效能沒有明顯下降。
亞吉表示，COF-999化合物還可能與傳統碳捕獲技術中的液態胺類化合物競爭。COF-999重量還很輕，因此它還有潛力用於船舶，清除廢氣中的二氧化碳。
目前，已有公司在生產類似的材料——金屬有機框架（MOF）。在這些晶體結構中，超強的化學鍵是由金屬化合物而非碳氫化合物形成的。亞吉表示，COF-999比主流的金屬有機框架更耐用也更防水，且在去除二氧化碳方面效率更高。
美國賓夕法尼亞大學的化學工程師珍妮弗·威爾科克斯（Jennifer Wilcox）曾在美國能源部從事碳去除相關工作，她卻指出，COF-999粉末尚未在實際應用中進行測試。例如，如果將這種粉末塗在過濾器上或壓制成顆粒，可能會大幅阻礙空氣流動，增加吹氣風扇的能耗。威爾科克斯表示，這些工程特性“將決定最終成本”。
本文選自《環球科學》2025年2月刊“前沿”欄目。
本文來自微信公眾號“環球科學”。如需轉載，請在“環球科學”後臺回覆“轉載”，還可透過公眾號選單、傳送郵件到[email protected]與我們取得聯絡。相關內容禁止用於營銷宣傳。
