二氧化碳“捕集封存”有了新思路

近日，大連理工大學(xué)教授宋永臣、副教授張倫祥研究團(tuán)隊(duì)在二氧化碳捕集封存研究方面取得進(jìn)展，提出了基于可循環(huán)再生納米材料和動(dòng)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境友好型二氧化碳捕集策略，為二氧化碳捕集封存可持續(xù)技術(shù)發(fā)展提供了新思路。相關(guān)成果發(fā)表在《自然·通訊》。

二氧化碳捕集封存技術(shù)對于推進(jìn)我國“雙碳”戰(zhàn)略及應(yīng)對全球氣候變化具有重要意義。相較于傳統(tǒng)技術(shù)，化合物結(jié)晶法憑借其較簡易的分離流程和可循環(huán)的結(jié)晶前體，為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)捕碳提供了可行方案。然而，現(xiàn)有的化合物結(jié)晶碳捕集技術(shù)面臨著環(huán)境相容性差、反應(yīng)條件苛刻、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)緩慢及再生能耗高等瓶頸，亟需探索節(jié)能環(huán)保、溫和高效的二氧化碳捕集化合結(jié)晶新方法。

為了解決上述難題，受氣體水合物特有的動(dòng)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)提出利用天然液態(tài)水形成結(jié)晶前體，通過負(fù)載疏水性氨基酸的磁性納米粒子流體增強(qiáng)氫鍵納米籠對二氧化碳的快速、持續(xù)捕集。納米粒子表面負(fù)載的疏水性氨基酸誘導(dǎo)了無序水分子構(gòu)建四面體納米氫鍵網(wǎng)絡(luò)，而納米粒子布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的微對流與界面吸附作用有效促進(jìn)了二氧化碳的液膜擴(kuò)散、限域富集與團(tuán)簇連鎖成核，水合物氫鍵納米籠生成的誘導(dǎo)時(shí)間縮短了90%以上，此外，核殼型有機(jī)超順磁納米粒子的高分散度也被用于強(qiáng)化氣-液-固多相界面熱質(zhì)傳遞能力、增加水合物晶體成核-生長位點(diǎn)，二氧化碳捕集容量可達(dá)118.7v/v（22.7wt%），優(yōu)于傳統(tǒng)碳捕集方法。

水合物晶體中的氫鍵強(qiáng)度賦予了氫鍵水籠獨(dú)特的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)特性，避免了傳統(tǒng)結(jié)晶前體再生過程所涉及的高能耗。同時(shí)，負(fù)載疏水性氨基酸的納米粒子流體能夠有效對抗二氧化碳連續(xù)捕集過程的機(jī)械摩擦、粒子碰撞、流體剪切力與結(jié)晶應(yīng)力演變等機(jī)械效應(yīng)，并在持續(xù)11900分鐘的17次獨(dú)立循環(huán)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能穩(wěn)定性。

團(tuán)隊(duì)通過實(shí)時(shí)無標(biāo)記細(xì)胞分析獲得的時(shí)變歸一化細(xì)胞參數(shù)及活性特征，證實(shí)了該納米復(fù)合材料良好的生物相容性。