要减缓全球变暖，必须大幅减少温室气体排放。这包括逐步淘汰化石燃料和采用节能技术。然而，仅仅减少排放不足以实现气候目标。从大气中清除大量二氧化碳，将其储存在地下或作为碳中和材料重新用于工业也至关重要。目前的碳捕集技术虽然有效，但能源密集且成本高昂。

在新工艺中，空气通过一种液体来捕捉二氧化碳。如果用光照射液体，温室气体就会再次释放并被收集起来。图片来源：苏黎世联邦理工学院

因此，苏黎世联邦理工学院的研究人员正在开发一种利用光的新方法。通过这种方法，未来碳捕集所需的能量将来自太阳。

在电化学能源系统教授玛丽亚-卢卡茨卡娅的领导下，科学家们正在利用这样一个事实：在酸性水液中，二氧化碳以二氧化碳的形式存在，但在碱性水液中，二氧化碳会反应生成碳酸盐，即碳酸盐。这种化学反应是可逆的。液体的酸性决定了它是含有二氧化碳还是碳酸盐。

为了影响液体的酸性，研究人员在液体中加入了能对光产生反应的分子（称为光酸）。如果用光照射这种液体，这些分子就会使其呈酸性。而在黑暗中，它们又会恢复到原来的状态，使液体呈碱性。

这就是 ETH 研究人员的方法的详细工作原理：研究人员在黑暗中将空气通过含有光酸的液体，从而从空气中分离出二氧化碳。由于这种液体呈碱性，二氧化碳会发生反应并形成碳酸盐。一旦液体中的盐分积累到一定程度，研究人员就用光照射液体。这使得液体呈酸性，碳酸盐转化为二氧化碳。二氧化碳从液体中冒出，就像在可乐瓶中一样，可以收集到储气罐中。当液体中几乎不剩任何二氧化碳时，研究人员关闭光源，循环重新开始，液体就可以捕获二氧化碳了。

"然而，在实践中出现了一个问题：所使用的光酸在水中并不稳定。"卢卡茨卡娅研究小组的博士生、本研究的第一作者安娜-德弗里斯（Anna de Vries）说："在最早的实验过程中，我们发现分子在一天后就会分解。"

于是，卢卡茨卡娅、德弗里斯和他们的同事分析了分子的衰变。他们不是在水中，而是在水和有机溶剂的混合物中进行反应，从而解决了这个问题。科学家们通过实验室实验确定了两种液体的最佳比例，并通过巴黎索邦大学研究人员的模型计算解释了他们的发现。

首先，这种混合物能让光酸分子在溶液中保持稳定近一个月。另一方面，它确保了光可以根据需要在酸性和碱性溶液之间来回切换。如果研究人员使用的有机溶剂不含水，反应将是不可逆的。

其他碳捕获过程也是循环往复的。一种成熟的方法是使用过滤器在环境温度下收集二氧化碳分子。为了随后从过滤器中清除二氧化碳，必须将过滤器加热到约 100摄氏度。然而，加热和冷却都是高能耗的：它们占过滤器方法所需能源的大部分。

Lukatskaya说："相比之下，我们的工艺不需要任何加热或冷却，因此所需的能源要少得多。不仅如此，ETH 研究人员的新方法还可能仅靠阳光就能工作。我们系统的另一个有趣之处在于，我们可以在几秒钟内从碱性变为酸性，并在几分钟内恢复到碱性。这让我们可以比温度驱动系统更快地在碳捕获和碳释放之间切换。"

通过这项研究，研究人员表明，光酸可以在实验室中用于捕获二氧化碳。下一步，他们将进一步提高光酸分子的稳定性，使其走向市场。他们还需要研究整个过程的参数，以进一步优化该过程。

参考文献：《溶解调谐光酸作为二氧化碳捕获和释放的稳定光驱动 pH 开关》，作者：Anna de Vries、Kateryna Goloviznina、Manuel Reiter、Mathieu Salanne 和 Maria R. Lukatskaya，2023 年 12 月 20 日，《材料化学》。

DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c02435

编译自/scitechdaily