《科學》:新材料能選擇性吸收溫室氣體

2020-12-23 科學網

圖片說明：一種ZIF結構。

（圖片來源：UCLA）

美國科學家的一項最新研究，在減少二氧化碳等溫室氣體的排放上取得了重要的進展。他們開發出一種新型材料，並證實該材料能夠隔離並捕獲二氧化碳分子。新的研究成果對於應對全球變暖、海平面上升、海洋生態系統破壞等問題具有重要意義。此外，該發現也能夠讓發電站擺脫毒性材料的使用，且能夠有效地收集氣體。相關研究論文發表在2月15日的《科學》雜誌上。

 

進行該項研究的是美國加州大學洛杉磯分校的化學教授Omar M. Yaghi及其同事。Yaghi說，「選擇性消除二氧化碳的技術難題已經被攻克，新發現的結構經過精確『裁剪』，能夠捕獲並保存二氧化碳，並且沒有逃逸。我們相信這會是一個轉折點，在二氧化碳進入大氣前就將其捕獲。」

 

Yaghi小組設計出的新材料屬於「沸石咪唑酯骨架結構材料」（zeolitic imidazolate frameworks，簡稱ZIFs），這是一類具有可調整孔洞大小及化學性質的金屬-有機配位子結構（metal organic frameworks，簡稱MOFs）。ZIFs的表面積很大，而且在高溫下不會分解，在沸水和有機溶劑中浸泡一周也仍然穩定。

 

實際上，Yaghi等人製造ZIF材料就是把傳統沸石中的鋁和矽元素用鋅離子和鈷離子等取代，而橋氧則被咪唑酯取代。不過，由於Yaghi實驗室的Rahul Banerjee和Anh Phan令該合成過程自動化，他們能夠在一小時內實現200個化學反應，大大高於一般情況下每天進行幾個反應的速度。

 

在此次研究中，Banerjee和Anh兩人共完成了9600個微化學反應，最終得到了25種新ZIF結構，並且證實了其中的ZIF-68、ZIF-69和ZIF-70這3種結構能夠高選擇性地捕獲二氧化碳。Yaghi表示，「ZIFs對二氧化碳的選擇性是其他一些材料無法匹及的。」

 

ZIF材料的內部可以存儲氣體分子，在化學結構上，它有一個類似於旋轉門的薄蓋，能夠讓大小合適的分子進入並將其存儲，而阻礙較大或者形狀不同的分子。研究生Phan說，「最美妙的地方在於我們能夠自由選擇『門』的樣子，控制能夠進入的物質。」

 

ZIF-68、ZIF-69和ZIF-70都是開放式結構，通過將它們置於一氧化碳和二氧化碳，以及一氧化碳和氮氣的兩種混合氣流中，研究人員確切證實了只有二氧化碳能夠被捕獲。

 

Yaghi表示，當前發電廠收集二氧化碳需要使用毒性材料，而且這一過程的能源消耗約為整個發電廠輸出的20%—30%。相比之下，ZIFs能夠從多種氣體中將二氧化碳分離出來，而且其存儲能力超出當前多孔碳材料的5倍。Banerjee說，「每公升ZIF能夠捕獲和存儲83公升的二氧化碳。」（科學網 任霄鵬/編譯）

 

（《科學》（Science），Vol. 319. no. 5865, pp. 939 - 943，Rahul Banerjee, Anh Phan, Omar M. Yaghi）

 

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