大氣中二氧化碳(一種擅長(zhǎng)捕獲熱量的氣體，導(dǎo)致氣候變化)的含量幾乎是工業(yè)革命前的兩倍，但它僅占我們呼吸的空氣的0.0415%。

這給試圖設(shè)計(jì)人造樹(shù)或其他直接從空氣中捕獲二氧化碳的方法的研究人員帶來(lái)了挑戰(zhàn)。這個(gè)挑戰(zhàn)是桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)試圖解決的挑戰(zhàn)。

在桑迪亞化學(xué)工程師Tuan Ho的帶領(lǐng)下，該團(tuán)隊(duì)一直在使用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)模型結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)來(lái)研究一種粘土如何吸收二氧化碳并將其儲(chǔ)存起來(lái)。

科學(xué)家們?cè)诒局茉缧r(shí)候發(fā)表在《物理化學(xué)快報(bào)》上的一篇論文中分享了他們的初步發(fā)現(xiàn)。

“這些基本發(fā)現(xiàn)具有直接空中捕獲的潛力;這就是我們正在努力的方向，“該論文的第一作者Ho說(shuō)。“粘土在自然界中非常便宜且豐富。這應(yīng)該使我們能夠顯著降低直接空氣碳捕獲的成本，如果這個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)，高回報(bào)的項(xiàng)目最終導(dǎo)致一項(xiàng)技術(shù)。

為什么要捕獲碳?

碳捕獲和封存是從地球大氣中捕獲過(guò)量二氧化碳并將其儲(chǔ)存在地下深處的過(guò)程，目的是減少氣候變化的影響，例如更頻繁的嚴(yán)重風(fēng)暴，海平面上升以及干旱和野火增加。

這種二氧化碳可以從化石燃料發(fā)電廠或其他工業(yè)設(shè)施(如水泥窯)中捕獲，也可以直接從空氣中捕獲，這在技術(shù)上更具挑戰(zhàn)性。碳捕獲和封存被廣泛認(rèn)為是考慮用于氣候干預(yù)的爭(zhēng)議最少的技術(shù)之一。

“我們希望在不破壞環(huán)境的情況下獲得低成本的能源，”桑迪亞生物工程師和該項(xiàng)目的資深科學(xué)家Susan Rempe說(shuō)。“我們可以以一種不產(chǎn)生那么多二氧化碳的方式生活，但我們無(wú)法控制鄰居的行為。直接空氣碳捕獲對(duì)于減少空氣中的二氧化碳量和減少鄰居釋放的二氧化碳非常重要。

Ho設(shè)想，基于粘土的設(shè)備可以像海綿一樣吸收二氧化碳，然后二氧化碳可以從海綿中“擠出”出來(lái)，泵送到地下深處?；蛘哒惩量梢愿襁^(guò)濾器一樣使用，從空氣中捕獲二氧化碳進(jìn)行儲(chǔ)存。

除了便宜且廣泛可用之外，粘土也很穩(wěn)定并且具有高表面積 - 它由許多微觀顆粒組成，這些顆粒又具有比人類頭發(fā)直徑小十萬(wàn)倍的裂縫和裂縫。這些微小的空腔被稱為納米孔，化學(xué)性質(zhì)可以在這些納米級(jí)孔內(nèi)發(fā)生變化，Rempe說(shuō)。

這不是Rempe第一次研究用于捕獲二氧化碳的納米結(jié)構(gòu)材料。事實(shí)上，她是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的一員，該團(tuán)隊(duì)研究了一種將二氧化碳轉(zhuǎn)化為水穩(wěn)定的碳酸氫鹽的生物催化劑，定制了一種薄的納米結(jié)構(gòu)膜來(lái)保護(hù)生物催化劑，并獲得了他們的生物啟發(fā)碳捕獲膜的專利。當(dāng)然，這種膜不是由廉價(jià)的粘土制成的，最初設(shè)計(jì)用于化石燃料發(fā)電廠或其他工業(yè)設(shè)施，Rempe說(shuō)。

“這是針對(duì)同一問(wèn)題的兩種互補(bǔ)的可能解決方案，”她說(shuō)。

如何模擬納米級(jí)?

分子動(dòng)力學(xué)是一種計(jì)算機(jī)模擬，它著眼于納米尺度上原子和分子的運(yùn)動(dòng)和相互作用。通過(guò)觀察這些相互作用，科學(xué)家可以計(jì)算出分子在特定環(huán)境中的穩(wěn)定性 - 例如在充滿水的粘土納米孔中。

“分子模擬確實(shí)是在分子尺度上研究相互作用的有力工具，”Ho說(shuō)。“它使我們能夠充分了解二氧化碳，水和粘土之間發(fā)生了什么，目標(biāo)是利用這些信息來(lái)設(shè)計(jì)用于碳捕獲應(yīng)用的粘土材料。

Ho說(shuō)，在這種情況下，Ho進(jìn)行的分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，二氧化碳在濕粘土納米孔中比在白開(kāi)水中更穩(wěn)定。這是因?yàn)樗械脑硬痪鶆虻毓蚕硭鼈兊碾娮?，使一端略帶正電，另一端略帶?fù)電。另一方面，二氧化碳中的原子確實(shí)均勻地共享它們的電子，就像油與水混合一樣，二氧化碳在類似的分子附近更穩(wěn)定，例如粘土的硅氧區(qū)域，Rempe說(shuō)。

Ho說(shuō)，由Cliff Johnston教授領(lǐng)導(dǎo)的普渡大學(xué)的合作者最近使用實(shí)驗(yàn)證實(shí)，限制在粘土納米孔中的水比普通水吸收更多的二氧化碳。

桑迪亞博士后研究員Nabankur Dasgupta還發(fā)現(xiàn)，在納米孔的油狀區(qū)域內(nèi)，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸所需的能量更少，并且與在普通水中的相同轉(zhuǎn)化相比，使反應(yīng)更有利，Ho說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)，通過(guò)使這種轉(zhuǎn)換有利且需要更少的能量，最終粘土納米孔的油狀區(qū)域可以捕獲更多的二氧化碳并更容易儲(chǔ)存。

“到目前為止，這告訴我們粘土是捕獲二氧化碳并將其轉(zhuǎn)化為另一種分子的良好材料，”Rempe說(shuō)。“我們理解為什么會(huì)這樣，以便合成人員和工程師可以修改材料以增強(qiáng)它。模擬還可以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)以測(cè)試新的假設(shè)。

Ho說(shuō)，該項(xiàng)目的下一步將是使用分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)來(lái)弄清楚如何將二氧化碳從納米孔中取出。在為期三年的項(xiàng)目結(jié)束時(shí)，他們計(jì)劃概念化一種基于粘土的直接空氣碳捕獲裝置。

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