大氣中的二氧化碳(CO2)濃度持續攀升,目前已達到約400 ppm,已引起各國科學家的關注。若要解決這個問題,直接從空氣中捕捉CO2是最簡單的方法。然而,從大氣中捕捉CO2有兩個難點:第一,吸附CO2的材料必須是高選擇性,這樣才能在大氣中捕捉到濃度相對較低的CO2;第二,吸附材料必須能在低溫下釋放CO2(即低再生溫度),並且可重複使用多次。目前已有研究顯示,液態鹼性溶液、金屬有機框架(MOFs)和含胺基的二氧化矽材料,三者都是直接從大氣中捕捉CO2的候選材料,然而這些材料各有其限制:液態鹼性溶液在再生過程中需要耗費大量能源,且具有毒性;MOFs容易發生水解,結構會被破壞;含胺基的二氧化矽材料則會在循環過程中發生胺類流失的問題,使捕捉CO2的效率逐漸降低。那麼未來的科學家有沒有辦法克服以上限制,研發出更耐用、效果更好的CO2吸附材料?
近日,美國加州大學柏克萊分校的研究團隊,成功開發出一種高選擇性、高重複使用性的CO2吸附材料,是一種名為COF-999的新型共價有機框架材料。這種材料有三個特點:第一,研究團隊使用疏水性分子來建構框架,使材料的孔洞具有疏水性質,在相對濕度為50%的環境下,每克材料只會吸附0.09克的水;第二,他們將胺基(-NH2)牢固地鍵結在框架上,這些胺基能引發aziridine分子進行聚合反應,在孔洞內形成含有 -CH2CH2NH- 重複單元的聚合物結構(聚胺),這種結構能有效捕捉CO2且不會在循環過程中流失胺基;第三,他們採用烯烴鍵結來連接框架結構,賦予材料高度的熱穩定性和化學穩定性。實驗結果顯示,COF-999在乾燥條件下,從空氣中捕捉CO2的能力達到0.96 mmol/g,而在50%相對濕度下,這個數值更可提升至2.05 mmol/g。研究團隊在柏克萊的戶外空氣中進行了為期20天、共100次的吸附-脫附循環測試,結果顯示材料的性能完全沒有衰減。而且這種材料在18.8分鐘內就能達到一半的CO2捕捉量,且只需加熱到60°C就能將CO2釋放出來,這些優異的性質使COF-999成為一種極具潛力的CO2捕捉材料。