桑迪亞國家實驗室的科學家們研究粘土如何直接從空氣中攫取二氧化碳。雖然，大氣中的二氧化碳水平–一種善於捕獲熱量、導致氣候變化的氣體–幾乎是工業革命前的兩倍，但它只占我們所呼吸空氣的0.0415%。這給試圖設計人工樹或其他直接從空氣中捕捉二氧化碳的方法的研究人員帶來了挑戰。這一挑戰是桑迪亞國家實驗室領導的一個科學家團隊正在試圖解決的問題。

桑迪亞國家實驗室的生物工程師Susan Rempe（左）和化學工程師Tuan Ho通過一種粘土的化學結構的藝術表現進行觀察。他們的團隊正在研究如何利用粘土來捕獲二氧化碳。資料來源：克雷格-弗里茨/桑迪亞國家實驗室照片

在桑迪亞化學工程師Tuan Ho的領導下，該團隊一直在使用強大的計算機模型，結合實驗室實驗，研究一種粘土如何吸收和儲存二氧化碳。

科學家們在本週早些時候發表在《物理化學快報》上的一篇論文中分享了他們的初步發現。

該論文的主要作者Ho說：”這些基本發現有可能用於直接空氣捕集；這就是我們正在努力的方向。粘土真的很便宜，而且在自然界中很豐富。如果這個高風險、高回報的項目最終產生了一項技術，這應該使我們能夠大大降低直接空氣碳捕獲的成本。”

為什麼要捕獲碳？

碳捕獲和封存是指從地球大氣層中捕獲多餘的二氧化碳並將其儲存在地下深處的過程，目的是減少氣候變化的影響，如更頻繁的嚴重風暴、海平面上升以及乾旱和野火增加。這種二氧化碳可以從燃燒化石燃料的發電廠或其他工業設施（如水泥窯），或直接從空氣中捕獲，這在技術上更具挑戰性。碳捕集和封存被廣泛認為是正在考慮用於氣候干預的最沒有爭議的技術之一。

桑迪亞生物工程師和該項目的高級科學家Susan Rempe說：”我們想要低成本的能源，而不破壞環境。我們可以以一種不產生那麼多二氧化碳的方式生活，但我們不能控制我們的鄰居做什麼。直接空氣碳捕獲對於減少空氣中的二氧化碳數量和減輕我們鄰居釋放的二氧化碳非常重要。”

Ho想像，基於粘土的設備可以像海綿一樣用來吸收二氧化碳，然後二氧化碳可以從海綿中”擠”出來並被抽到地下深處。或者粘土可以更像一個過濾器，從空氣中捕捉二氧化碳進行儲存。

除了便宜和廣泛使用之外，粘土還很穩定，並且有很高的表面積–它由許多微小的顆粒組成，而這些顆粒又有比人類頭髮直徑小十萬倍的裂縫和縫隙。Rempe說，這些微小的空腔被稱為納米孔，化學性質可以在這些納米級的孔隙中發生變化。

這並不是Rempe第一次研究用於捕獲二氧化碳的納米結構材料。事實上，她是一個研究將二氧化碳轉化為水穩定的碳酸氫鹽的生物催化劑的團隊的成員，該團隊定制了一個極薄的納米結構的膜來保護生物催化劑，並為他們受生物啟發的碳捕捉膜獲得了專利。當然，這種膜不是用廉價的粘土製成的，最初是為了在燃燒化石燃料的發電廠或其他工業設施中發揮作用，Rempe說。

“這是同一個問題的兩個互補的可能解決方案，”她說。

如何模擬納米尺度？

分子動力學是一種計算機模擬，研究原子和分子在納米級的運動和相互作用。通過觀察這些相互作用，科學家可以計算出一個分子在特定環境中的穩定性–例如在充滿水的粘土納米孔中。

“分子模擬確實是研究分子尺度上的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、水和粘土之間發生了什麼，目標是利用這些信息來設計一種粘土材料，用於碳捕捉應用。”

在這種情況下，分子動力學模擬表明，二氧化碳在潮濕的粘土納米孔中可以比在普通水中更穩定。這是因為水里的原子不能均勻地分享它們的電子，使得一端略帶正電，另一端略帶負電。另一方面，二氧化碳中的原子確實均勻地分享它們的電子，就像油與水混合一樣，二氧化碳在類似的分子附近更穩定，例如粘土的矽氧區域。

由Cliff Johnston教授領導的普渡大學的合作者最近用實驗證實，限制在粘土納米孔中的水比普通水吸收更多的二氧化碳。

桑迪亞博士後研究員Nabankur Dasgupta也發現，在納米孔的油狀區域內，將二氧化碳轉化為碳酸所需的能量較少，與普通水的相同轉化相比，使反應更有利，Ho補充說，通過使這種轉換變得有利並需要更少的能量，最終粘土納米孔的油狀區域使其有可能捕獲更多的二氧化碳並更容易地儲存它。

“到目前為止，這告訴我們粘土是一種捕捉二氧化碳並將其轉化為另一種分子的好材料，”Rempe說。”而且我們了解了這是為什麼，這樣合成人員和工程師就可以修改材料，以增強類似油的表面化學性質。模擬也可以指導實驗，以測試關於如何促進二氧化碳轉化為其他有價值分子的新假設”。

該項目的下一步將是利用分子動力學模擬和實驗來弄清如何將二氧化碳重新從納米孔中取出。在三年項目結束時，他們計劃構想出一個基於粘土的直接空氣碳捕獲裝置。