将碳从火电厂捕捉住对应对未来的气候变化非常重要，但是现在的技术还很昂贵。化学家现在发现了一种新型材料，一种二胺追加金属氧化物的框架，它能使用更少的能量来捕获并螯合二氧化碳这种温室气体。

 

二胺追加金属氧化物框架和二氧化碳结合前后。这个视角是MOF某一个孔的横切面，显示二胺分子（蓝色）连接到了金属（锰，绿色）原子。二氧化碳（灰色和红色）通过一种合作机制链接在了孔洞表面。一些氢原子（白）为了图片的清晰度而被忽略了。（图源: Graphic by Thomas McDonald, Jarad Mason, Jeffrey Long/UC Berkeley）

加州大学伯克利分校的化学家在碳捕获技术上有了一个非常大的进步，他们发现了一种可以高效吸收潜艇内和火电厂的废气中的材料。

和现有碳捕获材料相比，这种材料释放二氧化碳的温度低，很有潜力将整个过程需要的能耗降低一半。释放的二氧化碳可以用一种叫做封存的技术注进地下，或者在潜艇中，可以将二氧化碳释放进海中。

“火电站排放的气体中，二氧化碳占了15%，所以碳捕获部件将很有前景。”该文章的资深作者Jeffrey Long说到，Jeffrey是加州大学伯克利分校化学系的教授，是劳伦斯伯克利国家实验室的资深科学家。“这种新材料的会使部件更加小巧，整个（碳捕捉）运营的费用将大大的降低。

这种金属氧化物框架的二胺改性产物（MOF），可以在室温下在潜艇内除去二氧化碳，也可以在100华氏度的电厂废气中捕捉二氧化碳。

“这在类似国际空间站这样的地方很有用处。”Long说到。

虽然现在火电站并没有被要求要捕获废气中的二氧化碳，但是这对于控制因化石燃料的燃烧所带来的气候变化是非常重要的。如果地球的二氧化碳含量继续上升，最严重的情况就是我们就需要从大气中直接移除二氧化碳来使得地球更加适宜生存。

Long和他的同事将他们的新材料，二胺追加MOF，发表在这一周的《自然》上。

从管道气体到潜艇

火电厂里的二氧化碳捕捉技术是非常古老的，将废气通到有胺的水里，之后二氧化与胺相结合。之后这样的液体加热到120-150摄氏度释放出气体，液体被回收利用。这整个过程非常昂贵：大概会使用到发出电能的30%，之后的封存还需要花费额外的能量。

这种新的MOF可以在一定温度范围内下捕捉二氧化碳，这与它所添加的二胺是如何合成的有关，之后在比吸收二氧化碳的温度之上50摄氏度的温度释放二氧化碳，比原来的技术的80—110摄氏度要低。因为MOF是固体的，所以整个过程就比较低耗了。

MOFs是金属复合物，在这个例子里，是镁和锰，与有机物一起形成一种多孔的有平行显微隧道的结构。很多年前，Long和他的实验室同事发现了一种将胺接到MOF上的方法，用来来构造一种多孔的可以让二氧化碳直接穿透到材料中。他们发现将二胺接到MOF上的材料和其碳捕捉材料完全不同，在MOF中，在特定的温度和压力下，二氧化碳将很快的进入到材料中，之后在这个温度的50摄氏度以上，气体也会很快的释放出来。在新的文章中，加州理工大学的研究生 Thomas McDonald 和 Jarad Mason一起和其他的同事，描述了这是怎么工作的。

“这种材料的特别之处在于它与二氧化碳的结合方式，”Long说到。“当第一个二氧化碳分子在特定压力下开始被吸收之后，突然就开始促进之后的二氧化碳吸收，MOF非常快的被浸透。这和其它的胺类吸收二氧化碳的机制不同。”

“之后”，他讲到，“如果你将温度升高，在一些温度下二氧化碳会非常快的倾泻而出。”

Long的小组发现二胺在和MOF的金属原子相结合后会和二氧化碳结合形成新的物种，并且沿着MOF的内部通道水平排布。在一定的高压下，一个二氧化碳分子和胺结合之后会帮助旁边的二氧化碳发生反应，也就是说引发一种链式反应，使二氧化碳与二胺发生聚合。将温度上升50摄氏度之后，反应将会非常快的反向退回。

二氧化碳与金属结合所需的温度可以通过调整MOF中的金属调节。Long已经演示了一些可以在室温下与百万分之三百浓度（300ppm）的二氧化碳结合的MOF。

现在的大气二氧化碳浓度大约为400ppm，政策制定者希望将这个浓度控制在350ppm之下以避免非常严重的气候变化，这种变化会引发全球的灾难气候数量上升以及海平面上升，平均气温上升10华氏度等。

我们很幸运

上个夏天，Long于别人合作创业，成立了Mosaic Materials，使用新的科技来减少化学分离的费用，并计划进行二氧化碳从火电厂尾气中分离的实验研究。这包括了制造含有毫米尺寸小球体的圆柱体装置，小球体包含着紧实的MOF晶体粉末。

“我们希望发现一些可以在潜艇中测试的东西，”Long说到。那会铺平我们发展的道路，我们计划捕捉在天然气发电站的二氧化碳（5%）以及火力发电站中更高含量的二氧化碳。

“我们很幸运，”他说，“我们只是试着找到一种简单的将胺接到MOF表面的方法，因为它们是在有水环境下结合二氧化碳的一种不错选择，这可能并不能适用于管道气。但是刚好我们找到了一种长度的胺，使这种一维链可以和二氧化碳以一种合作反应的方式结合。

Long认为这个发现对工厂固定二氧化碳有重大意义，受惠于镁基MOF与天然的光合作用酶RuBisCO的结构惊人相似。

文献引用:

1. Thomas M. McDonald, Jarad A. Mason, Xueqian Kong, Eric D. Bloch, David Gygi, Alessandro Dani, Valentina Crocellà, Filippo Giordanino, Samuel O. Odoh, Walter S. Drisdell, Bess Vlaisavljevich, Allison L. Dzubak, Roberta Poloni, Sondre K. Schnell, Nora Planas, Kyuho Lee, Tod Pascal, Liwen F. Wan, David Prendergast, Jeffrey B. Neaton, Berend Smit, Jeffrey B. Kortright, Laura Gagliardi, Silvia Bordiga, Jeffrey A. Reimer, Jeffrey R. Long. Cooperative insertion of CO2 in diamine-appended metal-organic frameworks. Nature, 2015; DOI: 10.1038/nature14327

文章来源：加州大学伯克利分校，新材料在线编译整理——翻译：陈亮