新材料能给“碳捕获”技术迎来大突破吗？
文/李里里
在全球范围内，二氧化碳等温室气体的产生，主要来自化石燃料的燃烧，消耗化石燃料最大的产业是化石能源发电厂。据IEA数据显示，2021年全球排放的二氧化碳中，有36%来源于燃煤电厂，如何减少化石燃料发电厂废气中的CO2，已成为学术领域最为关心的研究方向之一。
近日，美国国家标准与技术研究所在《Science Adance》杂志上，发表了一项研究成果。成果表明，可以通过合成一种简单经济且可重复使用的材料—甲酸铝，来解决化石燃料在燃烧时，会排放出大量二氧化碳的问题。
图片来源：Science Advances
解决方式也被称为“碳捕获”技术。研究报告表明，合成的材料“金属有机框架Al（HCOO）3（ALF）”，能够表现出了强力的二氧化碳吸附能力，面对二氧化碳和氮气时，也能表现出出色的二氧化碳“选择性”，材料也能够在49.85摄氏度高温下，从二氧化碳的干气流中“吸收”二氧化碳。研究人员将这种甲酸铝材料简称为“ALF”，因为具有将CO2从其他气体中分离出来的“特殊天赋”。
在具体减碳方面，论文也从使用材料的角度提出了解决方案，即在废气进入大气层之前，就通过“甲酸铝”将其中的二氧化碳进行充分“吸收”和“过滤”。
吸收二氧化碳设计方案 图片来源：Science Advances
不过，这种通过“碳捕获材料”吸收二氧化碳的技术并不是首次提出。早在20世纪80年代末，麻省理工学院提出“二氧化碳捕集和封装技术（CCS）”后，通过捕集CO2以减少温室气体排放的概念就广为流传，相关的材料也在不断被研制和使用。但这些材料，一直存在分离效率不高和单位体积吸收率低等问题。
这篇论文的作者Hayden Evans对此表示，虽然一直以来，主流的碳捕获材料如活性炭、硅铝酸盐、聚丙烯中空纤维等仍存在各种问题，但这款“甲酸铝”并没有这些碳过滤材料所具有的常见缺点。“相对于其他高性能的二氧化碳捕集吸附剂，ALF的性能整体稳定，而且制造简单。”
“甲酸铝”材料属于金属有机框架MOFs，MOF是由有机配体和金属离子合成，或团簇微粒通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料，它们在过滤和分离有机材料（通常是化石燃料中的各种碳氢化合物）方面，存在着先天的“基因”优势。
据了解，在提炼天然气或分离汽油中的辛烷成分方面，合成的一些MOFs材料也显示出较大的使用价值，其他的MOFs也能被用于降低塑料制造成本，或者更廉价地将一种物质转化为另外一种形式，而它们的这种分离能力正是由于杂化材料本身固有的“多缝隙性”。
虽然从性能上看，新型材料具有极高的使用价值，但目前并不能立即进行普及推广。随着制造规模的扩大，工程师们仍需要去设计一个更合适的工艺流程和技术，来进行生产和制造。当把“ALF”应用到燃煤电厂时，也同样需要进行兼容性的测试，并在使用材料时降低需要洗涤烟气的湿度参数等。
碳捕集技术的发展，也一直都受限于“成本”问题。据生态环境部环境规划院数据显示，在石化和化工行业，碳捕集运行成本主要来自捕集和压缩环节，如果以火电为例，安装碳捕集装置之后，会导致成本增长幅度达到0.26~0.4元/kWh。
有时单个工厂可能需要多达数万吨的碳过滤材料，能否降低成本，也就成了能否成功推广”碳捕获技术的核心因素，ALF则在成本方面取得相应的突破。Hayden Evans对此表示：“未来，ALF的成本将低于每公斤1美元，这个价格，比具有类似性能的其他材料，便宜近100倍。因为ALF是由氢氧化铝和甲酸制成的，这两种化学品在市场上很丰富，也非常容易得到。”
但除了成本外，如何处理捕获二氧化碳之后的材料，也是厂商们感到“头疼”的问题。Evans表示：“现在，已经有许多科学家在研究如何处理捕获到的二氧化碳和材料，我们最终有可能会利用太阳能从水中分离出氢气，然后将氢气与二氧化碳结合，制造更多的甲酸。如果与ALF相结合，将是一个有助于地球的解决方案。”
但从制造氢气，再到用二氧化碳制造甲酸，又会衍生出新的“成本、技术和规模”问题。一直以来，如何更高效地通过二氧化碳制造甲酸，也是学术界的重点攻克方向，并不是简单地添加催化剂或者达到高温就能够实现规模化生产的话题。
虽然碳捕集技术正不断地取得进展，但未来的路依然任重而道远。