目前，减少二氧化碳排放已成为世界各国的共识，科学家也一直在寻找更快速、高效的碳捕获方式。
近日，日本东京都立大学科研团队发现了一种新型化合物，通过该化合物可直接从环境中捕获二氧化碳，并达到迄今最高的碳捕获效率 99%，为现有其他碳捕获系统效率的两倍。
▲图 | 低浓度二氧化碳的大气空气通过异佛尔酮二胺（Isophorondiamine，IPDA）水溶液，二氧化碳迅速反应生成固体产品。随后通过低温加热，重新释放二氧化碳，用于储存或新应用（来源：东京都立大学）
5 月 10 日，相关论文以《使用含氨基环己基二胺的液体胺-固体氨基甲酸相分离系统直接捕获空气中的 CO2》（Direct Air Capture of CO2 Using a Liquid Amine–Solid Carbamic Acid Phase-Separation System Using Diamines Bearing an Aminocyclohexyl Group）为题发表在ACS Environmental Au上[1]。
▲图 | 相关论文（来源：ACS Environmental Au）
虽然科学家在集中解决二氧化碳的去除、储存、转化难题，但随着改变当前全球环境现状的迫切需求，该领域在大规模部署前还有很多关键性问题亟待解决。其中，直接空气捕获（direct air capture，DAC）技术是碳捕获领域中最大的挑战之一。
一般来说，人们利用管道输送空气，或通过某种过滤器或催化剂使二氧化碳排出，其成分包括磁性海绵、沸石泡沫或由粘土、咖啡渣制成的材料。另一种碳捕获的方式则是“液固相分离系统”，也就是利用液体使空气起泡，而这种液体可以吸收二氧化碳，或使其分离成固体晶体或薄片。
东京都立大学团队之所以在二氧化碳捕获中取得重要进展，是因为他们在液固相分离系统中发现了一种被称为“异佛尔酮二胺（Isophorondiamine，IPDA）”的化合物。测试结果显示，IPDA 能够从空气中去除 99% 的中低浓度二氧化碳（400ppm），其效率至少是现阶段其他 DAC 系统的两倍。
（来源：ACS Environmental Au）
在二氧化碳捕获的反应过程中，随着反应产物越来越多地在液相中积累，导致其反应速度降低。而液固相分离系统为该问题提供了一种新的解决方案，其反应产物不仅可以保持不溶的状态，还以固体形式从溶液转化出来。并且，液体中没有产物堆积，反应速度也没有大幅降低。
值得关注的是，这种化合物不仅在碳捕获过程中发挥着关键的作用，它还能循环使用。在加热少的条件下，将溶液中的固体加热至 60℃（140°F），就能完全释放捕获的二氧化碳，进而实现了液态 IPDA 的回收。这有利于该化合物在化学转化过程中的便利储存，以及重复利用。
捕获的二氧化碳在约 58℃ 时完全解吸，因为溶解的氨基甲酸盐离子在低温下会释放二氧化碳。IPDA 在二氧化碳的吸附-解吸循环中可重复使用，且性能没有衰减，在直接空气捕获环境下可达到高于 99% 的效率，并保持 100 小时，显示出极高的二氧化碳捕获率。这表明使用 IPDA 的液固相分离系统的耐用性好，适合商业化应用。
▲图 | IPDA 的二甲基亚砜溶液在 400ppm 二氧化碳–氮气条件下的照片（来源：ACS Environmental Au）
简单来说，这种直接从空气中捕获二氧化碳的系统，利用液体胺和通过胺吸收二氧化碳形成的固体氨基甲酸之间的相分离。对于较宽浓度范围的二氧化碳（400ppm 至 30%），IPDA 表现出优于单乙醇胺的二氧化碳去除效率，表现出典型的氨基甲酸酯基机制。
在 400ppm 二氧化碳下，IPDA 与二氧化碳以CO2/IPDA 摩尔比为1反应，并表现出高于 99% 的二氧化碳去除，运行时间超过 13 小时。在氮气流动条件下，IPDA 系统在≥303K 开始进行二氧化碳的解吸，并于 333K 时完全解吸。二氧化碳捕获和解吸循环可以重复至少 5 次，且性能保持良好。
▲图 | 使用相分离的二氧化碳吸收/解吸系统（来源：ACS Environmental Au）
值得注意的是，将水中的 IPDA 作为溶剂用于从空气中捕获二氧化碳达 100 小时，效率> 99%。在二氧化碳吸收过程中从水溶液中以固体形式去除 IPDA 衍生的氨基甲酸，借助高流速，即使在低浓度二氧化碳（400ppm）下也实现了极高的二氧化碳去除效率。
此外，在二氧化碳解吸过程中，部分溶解的 IPDA 衍生的氨基甲酸，容易在低温下以液相释放二氧化碳。这种液体胺和通过二氧化碳吸收/解吸形成的固体氨基甲酸之间的相分离系统也可以采用其他胺，并通过二氧化碳吸收形成固体氨基甲酸。
专业支持：大义
参考资料：
1.Soichi Kikkawa et al.ACS Environmental Au(2022). https://doi.org/10.1021/acsenvironau.1c00065
https://www.eurekalert.org/news-releases/953826