近年来，随着二氧化碳（CO2）排放量的逐年增多，碳捕获成为全球关注的热门研究方向之一。根据国际能源署数据，“2021 年全球二氧化碳排放量达 363 亿吨[1]。”那么，具体该用哪种材料实行碳捕获呢？
固态多孔吸附材料——金属有机框架（Metal-Organic Framework，MOF）是烟道气碳捕获的理想材料，其使用物理吸附的方法，使二氧化碳的再生成本较低。然而，MOF 存在材料成本较高的问题，这限制了它的大规模应用。
图丨斯坦福大学材料科学与工程系崔屹教授、杰弗里·雷蒙（Jeffrey A.Reimer）教授（来源：唐静）
近日，斯坦福大学联合加州大学伯克利分校团队创造了一种使用多孔网络可持续捕获 CO2的通用工业化方法。他们利用三种常见的成分合成了新型多孔碳捕获材料，该材料具备成本低、制造工艺简单、更节能的优势。这些成分分别是三聚氰胺、甲醛和氰尿酸。这种新型碳捕获材料或将应用在制作排气管、表面涂层等。
审稿人对该研究评价道：“该研究在大规模（千克）合成固态网络方面取得了重大进展，以实现前所未有的结构稳定性和 CO2吸附能力。该团队提供的分子水平结合模型和二级配对结构很有价值，可能会激发该领域的其他设计。”
图丨美国能源部将这项研究作为亮点工作重点介绍[3]（来源：美国能源部）
8 月 3 日，相关论文以《用于二氧化碳捕获的具有原子级相互作用设计的可扩展固态纳米多孔网络》（A scalable solid-state nanoporous network with atomic-level interaction design for carbon dioxide capture）为题发表在Science Advances 上[2]。
图丨斯坦福大学对该研究的介绍（来源：斯坦福大学）
具备低价、易得、吸附力强的优势
在研究之初，该团队想寻找探索一种低价、易获得的碳捕获材料，来捕获汽车尾气、建筑物的外加剂，甚至家具表面的涂层。综合考虑各方面因素后，他们从常见聚合物三聚氰胺开始着手。
图丨碳捕获新材料的合成路线图[4]（来源：Matter）
三聚氰胺粉末可从现有市场产品“拿来就用”，其被广泛应用于餐具、工业涂料及其他塑料等，成本每吨约为 40 美元。此外，在捕获二氧化碳的效率方面，三聚氰胺多孔网络（melamine nanoporous networks，MNN）与碳捕获材料 MOF 的早期结果相近。
图丨白色三聚氰胺粉末（来源：斯坦福大学和加州大学伯克利分校）
该团队观察到，三聚氰胺粉末在与甲醛融合后会形成纳米级孔隙，在一定程度上能吸走二氧化碳。而在其添加二亚乙基三胺（Diethylenetriamine，DETA）与氰尿酸（一种与氯一起添加到游泳池中的化学物质）后，显著地增大了孔隙。
并且，在源头使碳捕获效率得以提高，从结果来看，模拟烟气混合物中的绝大多数 CO2 在大概 3 分钟内被吸收，还能使该材料被循环使用。
图丨使地球变暖的主要温室气体（来源：Science Advances）
为了增强 CO2 化学吸附及其吸附-解吸稳定性，该团队设计了大规模生产的反应装置，合成了公斤级的氰尿酸修饰和 DETA 改性的 MNN。
斯坦福大学材料科学系学者、该论文共同第一作者唐静表示，“在这个改性网络中，氰尿酸在聚合过程中作为 MNNs 掺杂剂被引入，并用作烷基胺的非共价锚定位点，以最终保持 CO2 吸附能力并提高化学稳定性。通过添加 DETA 从而提高了 CO2 的化学吸附能力。”
在 40℃ 即可实现碳捕获，并在 80℃ 释放
然而一个不容忽视的问题是，但碳捕获还没有产业化。现在，最先进的技术是，与 CO2 结合的液态胺进行管道输送。
唐静指出，“这种方法需要大量能量来释放与胺结合的 CO2，以便将其浓缩并储存在地下，而胺混合物再生 CO2 的前提是将其加热到 120-150℃。”
相比之下，用 DETA 和氰尿酸改性的 MNN 更加节能，无需把它在高温下加热才会将 CO2 释放。它于大概 40 ℃条件下实现捕获 CO2，而在 80 ℃便能释放。
图丨可大规模合成的装置示意图（来源：Science Advances）
该团队通过运用固态核磁共振技术，以原子级细节形式系统地阐述了无定形网络和 CO2 反应的机制，以及三聚氰胺、氰尿酸间形成的强氢键如何防止 DETA 沿孔隙渗出。
对于能源和环境领域，该研究创建了一个高性能的固态网络家族，同时透彻地了解其机制。“于此同时，也鼓励了多孔材料研究的发展，从试错的方法到合理的、逐步的原子级调制。”唐静说道。
图丨添加了多胺、氰尿酸稳定的三聚氰胺纳米多孔网络（来源：唐静）
据悉，目前技术处于实验室阶段，该团队正在继续调整孔径和胺基，以提高 MNN 的碳捕获效率，同时保持能源效率。
唐静指出，这涉及使用一种称为“动态组合化学”的技术来改变成分的比例，以实现有效、可扩展、可回收和高容量的 CO2 捕获。同时，该团队也在开发其他可持续能源材料用于碳中和，希望推进碳捕获材料的商业化生产。
两团队“强强联合”，致力于助力碳中和探索更多碳捕获新材料
该研究是斯坦福大学与加州大学伯克利团队合作成果。唐静是斯坦福大学学者，致力于开发和发明新型材料科技助力全球碳中和。该研究是唐静在斯坦福大学从事博后研究时，在导师崔屹教授指导下完成的。
在该研究中，崔屹团队开发了一个强大且可持续的固态平台和制造技术，用于创造新材料以应对气候变化和能源储存。
同时唐静在加州大学伯克利分校的访问博后期间，杰弗里·雷蒙（Jeffrey A. Reimer）教授是她的联合导师。在该研究中，雷蒙团队致力于固态核磁共振的开发，专门用于表征固体材料与 CO2 相互作用的机制，以便设计捕获碳和储存能量更佳的材料。
图丨斯坦福大学材料科学系学者唐静（来源：唐静）
通过这次新研究，该团队展示了这些基团的具体混合机制、以及 CO2 从原理上怎样和它们产生反应。此外，在开孔氰尿酸加入的前提下，使 CO2 被更好地吸附。
实际上，和其他材料对比，CO2 的吸附速度快得多。因此，他们用于 CO2 捕获的材料在实验室规模的所有实用方面都得到了满足，而且非常便宜且易于制造。
据悉，在斯坦福大学与加州大学伯克利分校团队的其他合作研究中，唐静还开发发明合成其他类型、用于吸附 CO2 的新材料，包括分级层纳米多孔膜[5]、以及由松木制成的分级层纳米多孔碳[6]。
参考资料：
1.https://www.iea.org/reports/global-energy-review-co2-emissions-in-2021-2
2.Science Advances 8, 31(2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo684
3. That stuff that makes up classic 1980s laminated countertops? It could be the key to cheaply and effectively capturing carbon dioxide. https://twitter.com/doescience/status/1562803740096151552
4.Matter 5, 9, 2574-2576(2022).Dynamic combinatorial chemistry in amine-appended porous melamine network for carbon capture，DOI:https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.08.012
5.Designing hierarchical nanoporous membranes for highly efficient gas adsorption and storage, 2020, 6, eabb0694, DOI: 10.1126/sciadv.abb0694
6. Revealing Molecular Mechanisms in Hierarchical Nanoporous Carbon via Nuclear Magnetic Resonance, 2020, 3, 1–15, https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.09.024