为了应对日益增加的二氧化碳水平，科学家们正在积极寻求从大气中提取二氧化碳的可持续方法，这被称为直接空气捕集（DAC）。一种新的有前景的材料，称为共价有机框架（COF）与胺基团相连，因其韧性及在相对低温下有效吸收和释放CO2而脱颖而出。这种创新材料兼容于现有的专为点源排放设计的碳捕集系统。
减少人类活动中产生的二氧化碳对于减少大气温室气体和减缓全球变暖至关重要。然而，当前的碳捕集技术主要仅对诸如电厂等集中排放源有效。这些方法难以捕获周围空气中的二氧化碳，因为空气中的二氧化碳浓度要低得多。
然而，直接空气捕集（DAC）被视为逆转二氧化碳水平上升的关键，当前的二氧化碳浓度已飙升至每百万颗粒426个（ppm），比工业革命前的水平高出50%。根据气候变化政府间专门委员会的报告，如果没有DAC，我们可能无法实现全球将气温限制在比历史平均水平高1.5 °C（2.7 °F）的目标。
加州大学伯克利分校的研究人员开发了一种新的吸收材料，能够促进实现负排放。这种多孔的共价有机框架（COF）能够有效地从空气中捕获二氧化碳，而不会因为水或其他污染物而降解，这是现有DAC技术面临的一大挑战。
加州大学伯克利分校的化学教授Omar Yaghi说：“我们通过让伯克利的户外空气通过这个材料进行测试，发现它能够完全去除二氧化碳。”他是将于10月23日在《自然》杂志上发表的一项研究的高级作者。
他补充道：“我对这个材料感到兴奋，因为它的性能无与伦比，为我们应对气候变化的努力开辟了新道路。”
Yaghi解释说，这种新材料可以无缝集成到现有的碳捕集系统中，针对炼油厂排放和用于地下存储的大气二氧化碳捕集。
据论文的第一作者、加州大学伯克利分校研究生Zihui Zhou介绍，仅200克这种材料——不到半磅——在一年内就能吸收多达20公斤（44磅）的二氧化碳，这与一棵树的效果大致相当。
Zhou表示：“捕获烟气可以通过防止二氧化碳释放来帮助减缓气候变化，而直接空气捕集则旨在恢复大气条件至一个多世纪前的水平。”他补充道：“当前的大气二氧化碳浓度超过420ppm，预计在烟气捕集完全投入使用之前将上升至约500或550ppm。为了将浓度降低到约400或300ppm，直接空气捕集的使用至关重要。”
COF与MOF
Yaghi是COF和金属有机框架（MOF）的创造者，这两者都拥有刚性晶体结构，并具备均匀分布的内部孔隙，为气体粘附或吸附提供了显著的表面积。他的实验室研发的一些MOF能够在干燥气候中吸收水，并在加热时释放水，使其适合饮用。他解释说，他在1990年代便开始研究MOF的碳捕集，早于DAC成为关注重点的时间。
两年前，Yaghi的实验室生产了一种高效材料MOF-808，能够吸附二氧化碳。然而，他们观察到在多次二氧化碳吸取和释放循环后，MOF遭到退化。这些MOF被填充了胺基（NH2）基团，以其与二氧化碳的强结合力而闻名，且通常用于碳捕集方法。碳捕集通常涉及将废气通过液态胺，以分离二氧化碳。Yaghi指出，液态胺再生的高能耗限制了其在广泛工业应用中的实用性。
与同事们合作，Yaghi确定了某些MOF在DAC应用中失败的原因：它们在碱性环境（胺存在的条件下）不稳定，而在酸性条件下则比较稳定。与Zhou以及在德国和芝加哥的合作伙伴们一起，他们设计了一种更强大的材料，称为COF-999。这种COF与MOF不同，MOF依赖金属原子构建结构，而COF则由共价的碳-碳和碳-氮键构成，这被认为是一些最强的化学键。
与MOF-808类似，COF-999的孔道中也装饰着胺基，增强了二氧化碳吸收能力。
Yaghi说道：“从空气中捕获CO2是一个复杂的挑战。它需要一种具有高二氧化碳容量、选择性、抗水稳定性、抗氧化性、可回收性、低再生温度和可扩展性的材料。满足所有这些要求是一项相当大的挑战。”他指出，当前的方法主要依赖于胺溶液或会随着时间逐渐降解的固体材料。
Yaghi和他的团队投资了过去20年时间创建的COF，能够抵御多种污染物的影响，包括酸、碱、水、硫和氮，这些污染物通常会损害其他多孔材料。他们设计的COF-999以烯烃聚合物为骨架，附加了胺基团。在创建多孔结构后，材料被处理以结合额外的胺，这些胺与NH2基团结合，形成具有一个能够结合一个二氧化碳分子的短胺聚合物。
当含有400 ppm二氧化碳的空气在室温（25°C）和50%湿度条件下通过COF-999时，大约在18分钟内达到其一半的容量，并在约两小时内完全饱和。但是，通过优化，这些时间可能会大幅改善。将材料加热到60°C（140°F）的温和温度可以释放二氧化碳，从而使COF-999再次吸收二氧化碳。该材料每克可以容纳多达2毫摩尔的二氧化碳，区别于其他固体吸附剂。
Yaghi补充道，目前并非所有胺在内部聚胺链中都在捕获二氧化碳，这表明有探讨进一步扩大孔隙以容纳更多结合位点的潜力。
Yaghi表示：“这个COF在化学和热稳定性上都很强，骨架耐用，所需能量更少，即使经过100次循环也保持其容量没有降解。这种性能在现有材料中是无与伦比的。”他说：“确实，它是当前可用于直接空气捕集的最有效材料。”
Yaghi希望，人工智能的整合能促进设计出更有效的COF和MOF，用于碳捕集及其他应用，特别是通过识别合成其晶体形态所需的化学参数。他担任加州大学伯克利分校Bakar数字材料所（BIDMaP）的科学主任，该研究所利用人工智能开发旨在应对气候变化挑战的经济高效且易于实施的MOF和COF解决方案。
他说：“我们对将人工智能与我们的化学研究相结合的可能性感到非常兴奋。”
这项研究得到了沙特阿拉伯阿卜杜勒阿齐兹国王城市科学与技术协会的资助，Yaghi所创办的碳捕集公司Atoco Inc.，第五代公司的Love、Tito’s和BIDMaP的支持。该项目的合作者包括来自柏林洪堡大学的访问学者Joachim Sauer和来自芝加哥大学的计算科学家Laura Gagliardi。
