研究人员扩展了直接从空气中提取二氧化碳（CO2）的碳捕获技术的潜力，证明了有多种合适且丰富的材料可以促进直接空气捕获。研究人员提出了新的低成本材料，以便在根据当地空气的湿度内容来捕获和释放CO2时实现湿度波动，称其为“CO2捕获最有前途的方法之一”。
西北大学的研究人员扩展了直接从空气中提取二氧化碳（CO2）的碳捕获技术的潜力，证明了有多种合适且丰富的材料可以促进直接空气捕获。
在周四（4月3日）即将发表的期刊《环境科学与技术》论文中，西北大学的研究人员提出了新的低成本材料，以便在根据当地空气的湿度内容来捕获和释放CO2时实现湿度波动，称其为“CO2捕获最有前途的方法之一”。
大气中的CO2持续增加，尽管全球范围内在减少碳废物方面采取了大量努力，但预计在未来几十年内仍将上升。探索如何有效且经济地从空气中封存过量CO2的想法可以通过抵消来自航空和农业等地方化高度困难的行业的排放来弥补不足。
湿度波动直接空气捕获（DAC）利用湿度变化捕获碳，将是应对气候变化的全球战略的核心，但由于以前普遍使用的离子交换树脂等工程聚合物材料，其可扩展性受到限制。研究小组发现，通过采用可持续、丰富和廉价的材料——通常可以从有机废物或原料中获得——来降低DAC技术的成本和能源使用，使其更加经济和可扩展。
西北大学材料科学与工程博士候选人约翰·希加提（John Hegarty）是共同作者之一，他说：“这项研究介绍并比较了用于湿度波动碳捕获的新型平台纳米材料，具体包括活性炭、有纳米结构的石墨、碳纳米管和片状石墨，以及铁、铝和锰氧化物等金属氧化物纳米颗粒。首次，我们应用了结构化的实验框架来识别不同材料在CO2捕获方面的重大潜力。在这些材料中，铝氧化物和活性炭具有最快的动力学，而铁氧化物和纳米结构石墨可以捕获最多的CO2。”
该论文展示了材料的孔径（多孔材料内部一些二氧化碳可以嵌入的空间）在预测其捕获碳能力方面的重要性。工程师们认为，这类研究将支持设计原则的发展，以通过改进材料的结构来提高性能。
扩展碳捕获
由于成本高和技术复杂，传统的直接捕获大气CO2的方法在许多市场上未能具备竞争力。更易获取且低成本的DAC技术可以降低来自农业、航空以及混凝土和钢铁制造等领域的排放，这些领域通过可再生能源单独去碳化难度大或不可能。
麦考密克工程学院博士毕业生本杰明·辛德尔（Benjamin Shindel）表示：“湿度波动的方法允许在低湿度下封存CO2，在高湿度下释放，从而减少或消除与加热吸附材料以便重复使用相关的能源成本。”根据辛德尔和其他作者的说法，这种方式的吸引力在于它能够几乎从任何地方移除碳，并可以利用协同作用与将以碳利用范式运作的其他系统连接。
材料工程教授维纳亚克·P·德拉维德（Vinayak P. Dravid）领导的研究团队表示：“如果你正确设计系统，就可以利用自然的梯度，例如，通过昼夜循环，或通过利用两个气体体积，其中一个是潮湿的，另一个已经在地理上干燥，这在合适的地理位置是可行的。”
德拉维德是麦考密克材料科学与工程的亚伯拉罕·哈里斯教授，也是保拉·M·特里恩斯可持续与能源研究所的教职员工。他还是西北大学原子与纳米尺度表征（NUANCE）中心及软与混合纳米技术实验（SHyNE）资源的创始主任，并担任国际纳米技术研究所全球项目的副主任。希加提和辛德尔是共同第一作者，文理学院博士生迈克尔·L·巴尔苏姆（Michael L. Barsoum）及其导师，西北大学化学系主席及教授奥马尔·K·法尔哈（Omar K. Farha）也是作者。
在团队评估为什么离子交换树脂在促进捕获方面表现如此出色（理想的孔径和表面上存在可与二氧化碳结合的带负电的离子组分的组合）后，他们识别出其他具有更高丰度和相似特性的替代平台，重点关注不会对环境造成额外压力的材料。
以往的文献往往将整个系统的机械原理混合在一起，使得评估各个组件对性能的影响变得困难。希加提表示，通过系统性和具体地观察每一种材料，他们发现一个“恰到好处”的中等孔径范围（约50到150埃）具有最高的波动能力，发现孔隙面积与材料表现出的捕获能力之间的相关性。
研究小组计划加深对这些新材料的生命周期的理解，包括该平台的整体成本和能源使用，并希望这能激励其他研究人员开拓思维。
辛德尔说：“碳捕获作为一个领域仍处于初期阶段。这项技术只会越来越便宜，效率越来越高，直到其成为实现全球减排目标的可行方法。我们希望看到这些材料在试点研究中进行规模测试。”
论文《湿度波动碳捕获的平台材料》得到了能源部（DOE-BES DE-SC0022332）的支持，所有特征和测量工作得到了国家科学基金会的国家纳米技术协调基础设施中西部网络节点SHyNE资源的支持。
