新材料極大程度提高碳捕捉效率
胺類溶劑有缺陷 MOFs成理想替代品
為有效捕捉發(fā)電廠內(nèi)產(chǎn)生的二氧化碳，各大化學(xué)公司及能源巨頭都紛紛將大筆賭注投向液體胺類溶劑。胺類溶劑是具有腐蝕性的液體，由氨水衍生而來(lái)，能極有效地吸收二氧化碳?xì)怏w。
 胺類溶劑有缺陷 MOFs成理想替代品 |
但利用胺類溶劑捕捉二氧化碳存在一個(gè)另人頭疼的問(wèn)題：一旦二氧化碳與胺溶劑結(jié)合，便很難再將二者分開(kāi)。因此，循環(huán)利用胺類溶劑也會(huì)變得很困難。而若想將二者分離，需要消耗大量能量。有人估計(jì)，這一過(guò)程消耗的能量最多可占電廠發(fā)電量的25%。為了避免如此巨大的能源消耗，美國(guó)科學(xué)家在美國(guó)能源部的資助下正在努力發(fā)明新一代的多孔固體材料替代胺類溶劑？茖W(xué)家希望這種新一代材料能輕易捕捉并釋放二氧化碳。
具有這種功能的固體材料的來(lái)源廣泛，如由糖類制來(lái)的帶有細(xì)微小孔的碳、能過(guò)濾并分離化學(xué)物質(zhì)的分子篩、復(fù)雜的由微型組件拼接而成的能夠捕獲特定化學(xué)物質(zhì)的構(gòu)造等等。
美國(guó)加利福尼亞大學(xué)走在微型拼接組件的最前沿。該校的奧馬爾·亞紀(jì)實(shí)驗(yàn)室近十年來(lái)為“大型晶狀分子式組件”制造做出了突出貢獻(xiàn)。“大型晶狀分子式組件” 又被人稱為“有機(jī)金屬結(jié)構(gòu)”（MOFs）。如今，該實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)明了新一代的MOFs，其二氧化碳捕捉與存儲(chǔ)能力與胺溶劑相差無(wú)己，同時(shí)極易與二氧化碳分離。該項(xiàng)研究報(bào)告將于今年下半年發(fā)表，而亞紀(jì)實(shí)驗(yàn)室早前關(guān)于該課題的報(bào)告已經(jīng)分別刊登在了《科學(xué)》及《自然》雜志上。
亞紀(jì)實(shí)驗(yàn)室的一位研究員王博說(shuō)，如果用肉眼看，MOFs狀似“巖石”；但如果從分子層面來(lái)看，這種物質(zhì)則像由一系列巨大的圓形籠子構(gòu)成的峰窩和海綿。”
MOFs的優(yōu)勢(shì)
胺類溶劑的缺陷在于，一旦與二氧化碳發(fā)生結(jié)合就必須用120℃的高溫加熱1至2個(gè)小時(shí)才能分離。根據(jù)王博研究員所言，新發(fā)明的MOFs僅需60℃的溫度便能在2分鐘之類釋放捕獲到的二氧化碳，并再次投入使用。
此MOFs之所以有如此奇效是因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)獨(dú)特。科學(xué)家用有機(jī)鏈將金屬離子簇連接起來(lái)制成這種MOFs。這樣制成的MOFs只要稍微加熱便能輕易改變結(jié)構(gòu)，釋放被困在其內(nèi)的二氧化碳。亞紀(jì)實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)制造出了不同種類的微型分子小組件，并開(kāi)始測(cè)試哪種分子小組件能夠選擇性地吸收二氧化碳。約瑟夫·胡普是美國(guó)西北大學(xué)的化學(xué)家，曾制造出能將二氧化碳與氨氣分離的MOFs。胡普解釋說(shuō)，二氧化碳分子表面的電子分布在特定的時(shí)刻不均勻（這樣的時(shí)刻被科學(xué)家稱為“四極矩”）。二氧化碳的這一特點(diǎn)讓其區(qū)別于其它氣體，從而讓MOFs通過(guò)二氧化碳表面原子分布對(duì)其進(jìn)行選擇成為了可能。
MOFs能否很好地應(yīng)用在火電廠內(nèi)充滿蒸汽的環(huán)境中，這一點(diǎn)還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。但王博認(rèn)為他們目前所擁有的一種分子小組件可以快速、經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。亞紀(jì)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)與化工巨頭德國(guó)巴斯夫歐洲公司合作，準(zhǔn)備大批量地生產(chǎn)三種簡(jiǎn)單的MOFs，并將它們命名為Basolite。據(jù)稱，Basolite不僅能夠吸收許多不同種類的化學(xué)物質(zhì)，而且只制作方法非常簡(jiǎn)單：只要將特定的金屬與有機(jī)銜接物“配方”一同倒入特定溶劑熱即可。當(dāng)混合物冷卻后便會(huì)自動(dòng)結(jié)晶成晶狀物質(zhì)，這便是MOFs。因此該過(guò)程更像是MOFs自我組裝的過(guò)程。
但MOFs是否能與液態(tài)溶劑競(jìng)爭(zhēng)還有待考驗(yàn)，因?yàn)楹笳叩闹谱鬟^(guò)程更簡(jiǎn)單。但目前巴斯夫公司已經(jīng)把Basolite的價(jià)格降低到了10歐元/千克。這已經(jīng)是一個(gè)非常具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格了。
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