这种神奇粉末可直接“捕获”二氧化碳

出品：科普中国

作者：一言科普团队

监制：中国科普博览

随着“碳达峰”和“碳中和”目标的提出，二氧化碳的减排与吸收成为全球关注的焦点。这种无色无味的气体看似普通，却在工业革命以来因排放量激增，对全球气候变化产生了深远影响。那么，二氧化碳为何如此“不受待见”？我们又该如何应对呢？

二氧化碳排放

（图片来源：veer图库）

二氧化碳：温室效应的“元凶”

二氧化碳，是一种碳氧化合物，密度比空气大，广泛存在于大气中。其来源多样，包括化石燃料燃烧、工业生产、农业活动以及生物体呼吸等。

那么，二氧化碳为什么是温室气体？

温室气体是指大气中能够吸收地表反射的长波辐射，并且可以发射辐射的气体。地球表面在吸收太阳辐射的同时，会以长波辐射的形式向大气层或外太空释放热量，从而保证地球的温度在一定的范围。在这个过程中，大气中的温室气体会吸收地表反射的长波辐射，并且将部分热量“还给”地球。此时的地球相当于一个大型的温室，当返还给地球的热量过多时，就会导致全球气温上升，造成温室效应。

温室效应

（图片来源：veer图库）

二氧化碳分子由1个碳原子和2个氧原子组成，属于线性分子。其分子振动形式主要有对称伸缩振动、非对称伸缩振动和弯曲振动。其中，非对称伸缩振动和弯曲振动会导致二氧化碳分子的偶极矩（分子极性强弱的表示方式）发生变化，使其具有红外活性，从而吸收红外辐射，甚至以辐射的形式将热量释放，带来温室效应。

碳汇：自然与人工的二氧化碳吸收之道

为了应对二氧化碳过量排放带来的挑战，科学家提出了“碳汇”概念。碳汇可以简单理解为通过自然或人工过程，从大气中吸收二氧化碳并将其储存的过程，主要包括自然碳汇和人工碳汇。

森林吸收二氧化碳

（图片来源：veer图库）

1.自然碳汇

森林、海洋和湿地等生态系统是重要的自然碳汇。植物通过光合作用吸收二氧化碳，并将其固定在生物体内或土壤中；海洋则通过溶解度泵（二氧化碳在海水中的高溶解度）、生物泵（浮游植物光合作用）、碳酸盐沉积和海洋环流等方式，吸收大量的二氧化碳。

2.人工碳汇

碳捕获与封存（CCS）技术是人工碳汇的代表。这类技术通过化学试剂吸收或燃烧前捕集等方法分离二氧化碳，然后经过管道或船舶运输至指定地点，进行地质封存、海洋封存或矿物化封存，实现二氧化碳的消纳。

二氧化碳地下封存

（图片来源：veer图库）

然而，不论是自然碳汇还是人工碳汇，都存在诸多不足，例如植树造林需要大量的土地资源，而碳捕获与封存技术则面临高昂的成本和技术挑战。因此，开发更高效、经济的二氧化碳吸收技术仍然是科学家们追求的目标。

科学家研制的黄色粉末，二氧化碳的“天敌”

从空气中直接捕获二氧化碳不仅能缓解温室效应的问题，还为二氧化碳的回收利用提供了可能。尽管通过高科技材料将空气中的二氧化碳进行捕集的技术已经照进现实，然而由于空气成分复杂、环境多变和二氧化碳浓度低等问题，高吸附量、快速吸附和低再生温度的稳定材料还很匮乏。

文章发表于《Nature》杂志

（图片来源：《Nature》杂志）

为解决这些问题，近期，科学家发明了一种名为“COF-999”的黄色粉末，这种黄色粉末仅需一克，就可以从低二氧化碳浓度（0.04%）的空气中吸收2.05毫摩尔（90.2毫克）二氧化碳，并且60℃就可以实现二氧化碳的解吸附和材料的再生。

黄色粉末，为何如此神奇？

COF-999是一种结晶共价有机框架材料（‌COF），由有机分子通过共价键连接而成。该材料具有高比表面积、特殊的孔结构和高稳定性等优点，被广泛应用于气体吸附和分离、异相催化、储能材料等领域。

COF-999的空间填充模型和化学结构图

（图片来源：参考文献1）

为降低空气中的水对二氧化碳吸附的影响，研究者将COF的孔道结构进行疏水处理，以降低孔道内的活性组分对水的吸附。同时，“COF-999”中的聚胺活性单元通过共价键的方式连接，其主链分子通过稳定的烯烃键连接，使得材料的结构稳定性和使用寿命均得到提升。

实验表明，1克COF-999可从低浓度（0.04%）空气中吸收90.2毫克二氧化碳，且在60℃下即可实现脱附再生。更令人惊叹的是，该材料经过20余天的二氧化碳连续吸附实验，循环使用100次后，性能依然稳定。

COF-999材料吸附二氧化碳效率图；b. 二氧化碳的产率与吸脱附循环次数关系图；c. 二氧化碳吸附等温线；d. COF-999材料循环100次后吸附二氧化碳图.

（图片来源：参考文献1）

生活中没有二氧化碳可以吗？

尽管过量二氧化碳会导致温室效应，但其在多个领域的作用不可替代。

在农业领域，二氧化碳是植物光合作用的重要原料。在叶绿体内，二氧化碳与水在光照条件下发生反应生成葡萄糖并释放出氧气。这一过程不仅为植物生长提供能量，也为地球生态系统提供必需的氧气和有机物质。在温室种植中，适度提高二氧化碳浓度能显著提高农作物的产量和品质，促进蔬菜鲜嫩度与果实饱满度。

在工业应用中，二氧化碳具有多重用途。作为焊接保护气，能有效隔绝空气中的氧和氮，避免高温熔融金属发生氧化或氮化反应，从而确保焊缝牢固平整。此外，作为甲醇、尿素等化学品的关键合成原料，广泛应用于燃料、肥料、塑料制品，支撑现代工业体系。

植物施肥

（图片来源：veer图库）

在食品行业，二氧化碳是碳酸饮料的灵魂，能赋予清爽气泡感和独特风味，在啤酒酿造过程中促进细腻泡沫形成，还能在一定程度上抑制微生物的生长，延长啤酒的保质期。同时，二氧化碳还可以通过调节气体环境与低温处理有效延缓食品腐败，保障运输及储存过程中的新鲜度。

在消防领域，二氧化碳的作用同样重要。通过快速稀释氧气浓度至燃烧临界点以下实现高效阻燃，尤其适用于精密仪器等特殊场景的灭火需求。

面对气候变化的严峻挑战，科技创新为我们提供了新的解决方案。“COF-999”黄色粉末的问世，展现了人类在碳捕集技术上的智慧突破——它不仅高效吸附二氧化碳，还能循环使用，为碳中和目标提供了新的可能。然而，技术并非万能，真正的改变需要全社会的共同努力。只有通过科技与社会的协同合作，才能更好地保护地球家园，实现人与自然的和谐共生。

参考文献：

1.Zhou Z , Ma T , Zhang H ,et al. Carbon dioxide capture from open air using covalent organic frameworks[J]. Nature, 2024.

2.Shi, X. et al. Sorbents for the direct capture of CO2 from ambient air[J]. Angew. Chem. Int. Ed., 2020.

3.靖宇,韦力,王运东.吸附法捕集二氧化碳吸附剂的研究进展[J]. 化工进展, 2011.

4.江涛,魏小娟,王胜平,等.固体吸附剂捕集CO2的研究进展[J]. 洁净煤技术,2022.

5.宋师忠,焦艳霞.二氧化碳用途综述与生产现状[J]. 化工科技市场, 2003.