这种黄色粉末，创下了历史纪录

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一小瓶COF-999（图片来源：加利福尼亚大学伯克利分校）
撰文｜亚历克·卢恩（Alec Luhn）
翻译｜王越


科学家和工程师正在研发大型设备，用于从大气中吸收二氧化碳。不过，这项技术不仅能耗巨大，成本也居高不下——每捕获一吨二氧化碳，花费可能高达1000美元。最近，美国加利福尼亚大学伯克利分校的化学家团队取得了一项新进展。他们研制出了一种黄色粉末，能更高效地吸收二氧化碳，有望为这一领域带来突破。


详细预测表明，为了实现气候目标，全球需要从大气中移除的二氧化碳，远远超过目前的捕获水平。为此，美国正在向开发直接空气捕获（direct air capture，DAC）技术的初创公司投入数十亿美元。这项技术用风扇将空气吹过碱性材料，这些材料能够与略呈酸性的二氧化碳结合。


加利福尼亚大学伯克利分校的研究生周子晖（Zihui Zhou）和教授奥马尔·亚吉（Omar Yaghi）提出了一种新方法。他们将胺类化合物嵌入一种被称为共价有机框架（covalent organic framework，COF）的晶体化合物中，后者表面积巨大。他们最终研制出了一种粉末，并将其命名为COF-999。这种粉末由碳氢化合物构成的微观支架组成，支架通过超强的碳-氮键和碳-碳键连接，类似于钻石中的化学键。胺类化合物则嵌在支架的空隙中，随时准备捕捉经过的二氧化碳分子。研究人员在《》（Nature）上报道称，当他们将空气泵过装满COF-999的管道时，这种粉末捕捉二氧化碳的速度创下了历史纪录。亚吉表示：“我们完全清除了空气中的二氧化碳。”

周子晖拿着100毫克COF-999样品（图片来源：加利福尼亚大学伯克利分校）

除了设备，直接空气捕获技术的最大成本通常是加热吸附材料所需的能量。加热的目的是让材料释放捕获的二氧化碳，这些二氧化碳随后会被封存或被用于工业。COF-999只需加热至60摄氏度时就能释放二氧化碳，远低于目前DAC工厂所需的100摄氏度以上。并且研究表明，在超过100次的捕获和释放循环后，粉末的性能没有明显下降。


亚吉表示，COF-999化合物还可能与传统碳捕获技术中的液态胺类化合物竞争。COF-999重量还很轻，只需200克COF-999，一年就能吸收20千克二氧化碳，相当于一棵树的吸收量。因此，COF-999还有潜力用于船舶，清除废气中的二氧化碳。


目前，已有公司在生产类似的材料——金属有机框架（MOF）。在这些晶体结构中，超强的化学键是由金属化合物而非碳氢化合物形成的。亚吉表示，COF-999比主流的金属有机框架更耐用也更防水，且在去除二氧化碳方面效率更高。


美国宾夕法尼亚大学的化学工程师珍妮弗·威尔科克斯（Jennifer Wilcox）曾在美国能源部从事碳去除相关工作，她却指出，COF-999粉末尚未在实际应用中进行测试。例如，如果将这种粉末涂在过滤器上或压制成颗粒，可能会大幅阻碍空气流动，增加吹气风扇的能耗。威尔科克斯表示，这些工程特性“将决定最终成本”。


本文选自《环球科学》2025年02月刊“前沿”栏目。

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