特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
減少排放和從大氣中去除溫室氣體對于實現凈零排放和限制氣候變化都是十分必要的。因此，需要改進吸附劑以從大氣中捕獲二氧化碳，即直接空氣捕獲。雖然基于氫氧化物的洗滌器（DAC）是最有前途的CO2直接空氣捕獲方法之一，但通常需要高溫進行高能再生。因此，開發可以在低溫下再生的低成本材料將克服當前技術的局限性。
基于此，劍橋大學Alexander C. Forse教授，李懷光教授（香港中文大學（深圳）理工學院）等人介紹了一類稱為“帶電吸附劑”的新型設計吸附劑材料。這些材料是通過類似電池的充電過程制備的，該過程將離子積累在低成本活性炭的孔隙中，然后插入的離子作為二氧化碳吸附的位點。作者通過充電過程在碳電極的孔隙中積累活性氫氧離子，并發現所得吸附劑材料可以通過（重）碳酸鹽形成快速捕獲環境空氣中的二氧化碳。與傳統的塊狀碳酸鹽不同，帶電吸附劑再生可以在低溫（90-100°C）下實現，并且吸附劑的導電性質允許使用可再生電力進行直接焦耳加熱再生。鑒于其高度可定制的孔隙環境和低成本，預計帶電吸附劑將在化學分離、催化等領域找到眾多潛在的應用。
帶電吸附劑的制備及表征
作者基于電化學儲能裝置的充電制備了帶電吸附劑，將氫氧化物官能化的多孔碳作為DAC的新吸附劑（PCS-OH）。PCS-OH的粉末X射線衍射和NMR分析表明氫氧離子主要結合在PCS-OH的納米級孔內。盡管材料表面積略有下降，但PCS-OH仍然具有高度多孔性，表明積累的氫氧離子應該可以作為CO2 吸附的反應位點。此外，作者證實了帶電吸附劑是高度可調的材料，表明帶電吸附劑方法的普遍性。作者通過微量熱測試探究了PCS-OH中CO2 吸附的性質，表明在氫氧化物位點分布處形成了碳酸氫鹽。TGA測量表明 PCS-OH 具有良好的熱穩定性和氧化穩定性。總體而言，這些數據表明，PCS-OH在與DAC相關的壓力下表現出顯著的穩定性和對CO2的良好親和力。
圖 帶電吸附劑的制備
圖 氫氧化物帶電吸附劑的制備及二氧化碳吸附
CO2捕獲機制
作者進一步研究了導致PCS-OH中強CO2結合的機制途徑，結果表明通過電化學合成摻入的氫氧化物位點與CO2發生化學反應，并證實了微量熱法的發現。NMR結果估計PCS-OH中氫氧化物含量的下限為0.95?mmol?g-1。總體而言，NMR 光譜實驗有力地支持了活性氫氧離子可以通過電化學合成安裝在多孔碳中，從而大大增強可逆CO2吸附。
圖 來自固態核磁共振實驗的CO2結合機制
通過焦耳加熱演示DAC和再生
作者進行了DAC測試，DAC 性能最初在模擬干燥空氣下進行評估，測量結果顯示CO2容量約為0.2 mmol g-1，且在重復的吸附和解吸循環中保持穩定。作為更實際的DAC測試，將新活化的PCS-OH和三個對照樣品放在配備CO2 傳感器的密封容器中，置于環境空氣中，測量結果有力地證明了電化學合成可在低分壓下增強碳捕獲并實現DAC。PCS-OH 吸附劑的導電性質為通過直接焦耳加熱進行再生打開了大門，焦耳加熱可在潮濕條件下再生吸附劑的CO2容量。
圖 DAC測試和焦耳加熱再生
參考文獻：
Li, H., Zick, M.E., Trisukhon, T. et al. Capturing carbon dioxide from air with charged-sorbents. Nature (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07449-2
