大氣中二氧化碳(一種擅長捕獲熱量的氣體，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了挑戰(zhàn)。這個(gè)挑戰(zhàn)是桑迪亞國家實(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)來研究一種粘土如何吸收二氧化碳并將其儲(chǔ)存起來。

科學(xué)家們在本周早些時(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。“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量二氧化碳并將其儲(chǔ)存在地下深處的過程，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。“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，泵送到地下深處?；蛘哒惩量梢愿襁^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。

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。

“這是針對(duì)同一問題的兩種互補(bǔ)的可能解決方案，”她說。

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。“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)是利用這些信息來設(shè)計(jì)用于碳捕獲應(yīng)用的粘土材料。

Ho說，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。

Ho說，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。他補(bǔ)充說，通過使這種轉(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。“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)以測試新的假設(shè)。

Ho說，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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