實現低成本碳捕捉技術:充滿氫氧根離子的帶電吸附劑
碳捕捉技術是當前應對氣候變遷的重要策略之一,在全球減少碳排放和從大氣中移除溫室氣體的共同目標下,發展有效的二氧化碳(CO2)捕捉技術相當重要。現有技術比如直接空氣捕捉(Direct Air Capture, DAC),其使用的吸附劑材料多數依賴於高成本和高能量消耗的再生過程,這限制了其大規模應用的可行性。傳統碳捕捉方法比如利用碳酸鈣和碳酸鉀,其捕捉二氧化碳後會形成穩定的碳酸鹽,而碳酸鹽則需要在高達900°C的高溫下才能再生,這導致高昂的成本。近年來,研究人員致力於開發低成本且能在低溫下再生的新型吸附劑材料,以期降低碳捕捉技術的整體成本並提升其可行性。近期,科學家發現帶電吸附劑(charged-sorbents)也許可以作為碳捕捉的新材料,因為其具備了高效率的捕碳能力和較低的再生溫度。帶電吸附劑,通常是透過類似於電池充電的過程在多孔碳材料內累積離子,這些離子提供了CO2的吸附位點,從而實現高效的碳捕捉。
近日,英國劍橋大學的研究團隊,打造了一種新型的帶電吸附劑材料,該材料是透過在電化學電池中對低成本的活性碳布(activated carbon cloth)進行充電實現的。在實驗過程中,研究團隊使用了6M KOH溶液作為電解質,將氫氧根離子累積在碳布的孔隙中,晾乾後就形成了正電荷吸附劑(positively charged-sorbent bearing hydroxide ion,PCS-OH),這種吸附劑能夠在90-100°C的低溫下再生。實驗結果顯示,PCS-OH在低壓下(0.4 mbar)具有顯著的CO2吸附能力(0.26 ± 0.06 mmol/g),研究人員進一步解釋,每100克的PCS-OH可以吸收約1克的CO2。與傳統的吸附劑相比,PCS-OH展示了優異的熱穩定性和氧化穩定性,並在150次循環後仍能正常使用。研究團隊進一步利用固態核磁共振(NMR)和微量熱測定法(microcalorimetry)等技術對PCS-OH進行了詳細的結構和性能分析,結果證實了氫氧根離子能在碳孔隙中有效累積,以及確實能對CO2進行化學吸附。研究人員表示,這項研究為未來的碳捕捉技術提供了一條可行的低成本、低能量消耗的技術路線。