要減緩全球暖化，必須大幅減少溫室氣體排放。這包括逐步淘汰化石燃料和採用節能技術。然而，僅僅減少排放不足以實現氣候目標。從大氣中清除大量二氧化碳，將其儲存在地下或作為碳中和材料重新用於工業也至關重要。目前的碳捕集技術雖然有效，但能源密集且成本高昂。

在新製程中，空氣透過一種液體來捕捉二氧化碳。如果用光照射液體，溫室氣體就會再次釋放並被收集起來。圖片來源：蘇黎世聯邦理工學院

因此，蘇黎世聯邦理工學院的研究人員正在開發一種利用光的新方法。透過這種方法，未來碳捕集所需的能量將來自太陽。

在電化學能源系統教授瑪麗亞-盧卡茨卡婭的領導下，科學家們正在利用這樣一個事實：在酸性水液中，二氧化碳以二氧化碳的形式存在，但在鹼性水液中，二氧化碳會反應生成碳酸鹽，即碳酸鹽。這種化學反應是可逆的。液體的酸性決定了它是含有二氧化碳還是碳酸鹽。

為了影響液體的酸性，研究人員在液體中加入了能對光產生反應的分子（稱為光酸）。如果用光照射這種液體，這些分子就會使其呈現酸性。而在黑暗中，它們又會恢復到原來的狀態，使液體呈現鹼性。

這就是ETH 研究人員的方法的詳細工作原理：研究人員在黑暗中將空氣通過含有光酸的液體，從而從空氣中分離出二氧化碳。由於這種液體呈鹼性，二氧化碳會發生反應並形成碳酸鹽。一旦液體中的鹽分累積到一定程度，研究人員就會用光照射液體。這使得液體呈酸性，碳酸鹽轉化為二氧化碳。二氧化碳從液體中冒出，就像在可樂瓶中一樣，可以收集到儲氣罐中。當液體中幾乎不剩任何二氧化碳時，研究人員關閉光源，循環重新開始，液體就可以捕捉二氧化碳了。

「然而，在實踐中出現了一個問題：所使用的光酸在水中並不穩定。」盧卡茨卡婭研究小組的博士生、本研究的第一作者安娜-德弗里斯（Anna de Vries）說：”在最早的實驗過程中，我們發現分子在一天後就會分解。”

於是，盧卡茨卡婭、德弗里斯和他們的同事分析了分子的衰變。他們不是在水中，而是在水和有機溶劑的混合物中進行反應，從而解決了這個問題。科學家們透過實驗室實驗確定了兩種液體的最佳比例，並透過巴黎索邦大學研究人員的模型計算解釋了他們的發現。

首先，這種混合物能讓光酸分子在溶液中保持穩定近一個月。另一方面，它確保了光可以根據需要在酸性和鹼性溶液之間來回切換。如果研究人員使用的有機溶劑不含水，反應將是不可逆的。

其他碳捕獲過程也是循環的。一種成熟的方法是使用過濾器在環境溫度下收集二氧化碳分子。為了隨後從過濾器中清除二氧化碳，必須將過濾器加熱到約攝氏100度。然而，加熱和冷卻都是高能耗的：它們佔過濾器方法所需能源的大部分。

Lukatskaya說：”相比之下，我們的工藝不需要任何加熱或冷卻，因此所需的能源要少得多。不僅如此，ETH 研究人員的新方法還可能僅靠陽光就能工作。我們系統的另一個有趣之處在於，我們可以在幾秒鐘內從鹼性變為酸性，並在幾分鐘內恢復到鹼性。這讓我們可以比溫度驅動系統更快地在碳捕獲和碳釋放之間切換。”

透過這項研究，研究人員表明，光酸可以在實驗室中用於捕獲二氧化碳。下一步，他們將進一步提高光酸分子的穩定性，使其走向市場。他們還需要研究整個過程的參數，以進一步優化該過程。

參考文獻：《溶解調諧光酸作為二氧化碳捕獲和釋放的穩定光驅動pH 開關》，作者：Anna de Vries、Kateryna Goloviznina、Manuel Reiter、Mathieu Salanne 和Maria R. Lukatskaya，2023 年12 月20 日，《材料化學》。

DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c02435

編譯自/ scitechdaily