捕获来自水泥和钢铁生产的热废气中的二氧化碳 (CO2) 涉及将排放物从大约 200°C 冷却到 60°C，以便液体胺与 CO2 发生反应。然而，化学家们已经开发出一种新型金属有机框架 (MOF)，它可以在高温下捕获 CO2，从而消除了在冷却过程中所需的能量和水。这项进展为高温气体捕获开辟了一条新领域。
工业设施，特别是那些生产水泥和钢铁的设施，产生大量的 CO2，这是一种强温室气体。不幸的是，它们的废气热量使其不适合当前的二氧化碳捕获技术。为冷却这些废气流浪费了大量的能量和水，这阻碍了一些世界上污染最严重的行业实施 CO2 捕获。
加州大学伯克利分校的研究人员最近发现，一种合成多孔材料可以有效地在接近工业废气的温度下吸收 CO2。这种材料是一种 MOF，将在 11 月 15 日的《科学》杂志上发表的论文中详细说明。
目前捕获电力或工业设施排放中的碳的方法采用液体胺；然而，这些反应在 40 到 60°C（100 到 140°F）的温度下最为有效。水泥和钢铁厂排放的废气通常超过 200°C（400°F），有些甚至接近 500°C（930°F）。许多正在测试的新材料，包括某些用胺增强的 MOF，在超过 150°C（300°F）时会降解或在这些温度下效率低下。
“为了使传统的碳捕获技术有效，必须建设昂贵的基础设施来将这些热气流冷却到所需的最佳温度，”加州大学伯克利分校的博士后研究员、论文共同第一作者 Kurtis Carsch 解释道。“我们的发现将改变科学家们对待碳捕获的方式。我们发现，MOF 可以在极高温度下捕获二氧化碳——这一温度与许多 CO2 排放过程相关，这在之前被认为对多孔材料来说是不可能的。”
“我们的研究转变了对广泛研究的基于胺的碳捕获系统的关注，提出了一种新的在 MOF 中的碳捕获机制，使其能够在高温下运行，”加州大学伯克利分校的研究生、研究共同第一作者 Rachel Rohde 说。
这种 MOF 像所有这类框架一样，具有高度多孔的晶体结构，由金属离子和有机链接组成，提供了相当于约六个足球场每汤匙的惊人表面积，为气体吸附提供了充足的空间。
“由于其独特的结构，MOF 具有适合在特定条件下捕获和释放 CO2 的高密度位点，”Carsch 补充道。
在模拟条件下，研究小组展示了这种新的 MOF 可以有效地在水泥和钢铁制造废气中典型的 20% 到 30% CO2 浓度下捕获热 CO2，以及来自天然气工厂的低浓度，约为 4% CO2。
从工业和发电站产生的排放中去除 CO2，可以将其储存在地下或转化为燃料和其他有所裨益的化学品，这对减少导致气候变化的温室气体至关重要。虽然向可再生能源源的转变减少了对燃烧化石燃料的发电厂的需求，但重度依赖化石燃料的行业对可持续性构成了更大的挑战，使得烟气捕获变得至关重要。
“必须关注那些难以脱碳的行业，如钢铁和水泥制造造成的 CO2 排放，因为这些行业在我们朝着更可再生能源基础设施努力的同时，可能仍会继续排放 CO2。”Rohde 指出。
从胺转向金属氢化物
Rohde 和 Carsch 研究于加州大学伯克利分校 Jeffrey Long 的实验室，Long 在该领域从事 CO2 吸附 MOF 的研究已超过十年。他的实验室负责开发出一种有前景的材料，该材料于 2015 年问世，此后被他的初创公司 Mosaic Materials 推进，并于 2022 年被能源科技公司 Baker Hughes 收购。这种之前的材料采用胺来捕获 CO2，正在试验新的变体作为液体胺在试点规模工厂的替代品，以及用于从环境空气中直接捕获 CO2。
尽管如此，正如 Carsch 指出，这些 MOF 在许多烟气中存在的高温下效率低下。
基于胺的吸附剂的研究，如 Long 开发的那些，数十年来一直在碳捕获研究中占据突出地位。相比之下，Rohde、Carsch、Long 及其团队研究的 MOF 特点是其孔道内衬有锌氢化物位点，这些位点还与 CO2 结合。Rohde 表示，令人惊讶的是，这些位点表现出了显著的稳定性。
“分子金属氢化物可能具有反应性并表现出低稳定性，”Rohde 解释道。“然而，这种材料保持了高稳定性，并采用称为深度碳捕获的过程，使其能够捕获超过 90% 的 CO2，这对于点源捕获至关重要。此外，其 CO2 容量与改性胺的 MOF 相似，但可以在显著更高的温度下运行。”
一旦 MOF 被 CO2 饱和，可以通过降低 CO2 的分压来提取或解吸气体，可以通过引入其他气体或创造真空来实现。然后可以在随后的吸附循环中重复使用该 MOF。
“由于熵在温度升高时更倾向于存在气相分子如 CO2，因此在超过 200°C 的温度下用多孔固体捕获这些分子通常被认为是不可行的，”Long 说。“这项研究表明，通过合适的功能元素——在这种情况下，锌氢化物位点——可以在 300°C 等高温下实现快速、可逆和高容量的 CO2 捕获。”
Rohde、Long 和他们的同事正在研究这种金属氢化物 MOF 的变体，以探索可以吸附的其他气体，并查看修改是否能够允许甚至更大的 CO2 吸附。
“我们很幸运发现了这一发现，这为分离科学的设计功能性吸附剂，适用于高温应用开辟了新路径，”获得德克萨斯大学奥斯汀分校化学系教职位置的 Carsch 说道。“对 MOF 中的金属离子和链接物进行调整的方式是无穷无尽的，从而可能系统性地设计出适用于工业和可持续性相关的各种高温气体分离过程的吸附剂。”
论文的其他作者包括加州大学伯克利分校的化学与生物分子工程教授 Jeffrey Reimer，他的实验室提供了 NMR 光谱证据以确认 MOF 的独特 CO2 捕获机制；来自马里兰州盖瑟斯堡的国家标准与技术研究所的 Craig Brown，他提供了支持所提机制的关键结构数据；以及加州大学伯克利分校的化学教授 Martin Head-Gordon，他提供了关于高温 CO2 捕获特性的计算见解。其他来自加州大学伯克利分校的合作者包括材料科学与工程教授 Andrew Minor 和许多其他研究人员。
Rohde 的研究生学习得到了 NASA 提供的奖学金支持，而 Carsch 则受益于阿诺德·O·贝克曼基金会的博士后奖学金。
