只靠光线就能捕获二氧化碳？这些瑞士科学家脑洞很大
只靠光线就能捕获二氧化碳？这些瑞士科学家脑洞很大
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环球零碳
碳中和领域的《新青年》
撰文 | Yinyin
编辑 | Tang
→ 这是《环球零碳》的第939篇原创
为了缓解全球变暖，有一些瑞士科学家“修炼”成了“光之魔法师”——仅靠调节光线，就能把二氧化碳捕捉并储存起来，这也为传统的碳捕获技术带来了新的灵感。
根据记录，过去的2023年已成为有史以来最热的一年，但在厄尔尼诺现象的影响下，气象学家预测2024年的平均温度很可能有过之而无不及。
气候目标的紧迫性已不需赘述。
要实现气候目标，除了需要大幅减少温室气体的排放之外，碳捕获、利用和封存（CCUS）技术同样重要，是能源行业和碳排放密集产业长期脱碳的关键所在。
二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）可将二氧化碳从工业、能源生产等排放源或空气中捕集分离，并加以利用或输送到适宜场地封存，最终实现二氧化碳的减排。
但传统的CCUS技术要求苛刻，成本往往非常昂贵，动辄需要上千万甚至数亿元的投资，每吨的成本高达300美元以上，且属于能源密集型技术——这些都是CCUS技术屡遭诟病的主要原因。
而瑞士科学家最近发现，利用自然光就可以实现高效的二氧化碳捕获和释放，这也为碳捕获技术的降本、节能提出了新的可能。
苏黎世联邦理工学院电化学能源系统教授Maria Lukatskaya和她的同事开发了一种利用自然光和二氧化碳性质的高效碳捕获工艺，
这种新方法引导空气通过液体来捕获二氧化碳（ CO 2 ），并利用光反应分子来操纵液体的酸碱度来捕获二氧化碳。
这种方式和传统碳捕获技术不一样的地方在于，传统碳捕获技术普遍依赖于温度或压力差，并且需要消耗大量能源。
而这种基于光线的方式则很好地规避了目前已有的CCUS技术的弊端。
01
神奇的“光控酸性开关”
CO 2 在酸性溶液和碱性溶液中会以不同形式存在。
在酸性液体中，二氧化碳以气体的形式存在，而在碱性溶液中，二氧化碳就会与溶液反应生成碳酸氢盐（ HCO 3 - ）。
这种化学反应是可逆的，液体的酸度决定了溶液中含有二氧化碳气体还是碳酸氢盐。
因此，瑞士研究人员根据这种特质，找到了一种利用光来改变溶液酸度的方法。
他们添加了一种特殊的光激活分子，叫“光酸”。
光酸在紫外线或可见光的激发下，会向周围环境释放一个质子，而在黑暗中，它们会与一个质子重新结合而回到基本态。
可迁移光酸（mPAHs）是光酸的一个亚类，可以通过光异构化释放质子来改变溶液的pH 值。本次实验中用到的就是这类光酸。
当含有光酸的液体暴露在光线下时，液体就会呈酸性。而在黑暗中，光酸就会恢复到原来的状态并使液体呈碱性。
图说：光酸和光暗差异促成了二氧化碳捕获和释放的循环过程
来源：ETH Zurich
这种光驱动的pH开关能够提供针对液体pH值的时空控制，灵活控制二氧化碳的存在形式。
因此，研究小组只需要在黑暗中将空气通过含有光酸的液体，就能从空气中分离出 CO 2 ，从而捕获二氧化碳。
参与反应的溶液在黑暗中呈碱性，空气作为混合物通过的时候，其中的 CO 2 就会与溶液发生反应并形成碳酸氢盐。
一旦液体中累积了足够的碳酸氢盐，研究人员就会用光照射它，将溶液转变为酸性。
溶液具有酸性后，碳酸氢盐会释放出二氧化碳气体。 CO 2 从液体中冒泡（就像一瓶可乐中的二氧化碳气体一样），进而可以被收集在储气罐中。
来源：Vries et al.
而当液体中几乎没有 CO 2 残留时，研究人员就会关掉灯，循环重新开始，液体再次准备好捕获 CO 2 。
02
不稳定的光酸
不过，在实践中，研究人员也遇到了一个问题：所使用的光酸（mPAHs）在水溶液中的状态并不稳定。
“在最开始的实验过程中，我们意识到这些光酸分子会在一天后分解，”卢卡茨卡娅小组的博士生、该研究的主要作者安娜·德弗里斯说。“光照还会进一步加速mPAHs的降解。”
为了解决这个问题，卢卡茨卡娅、德弗里斯和他们的同事分析了含有光酸的不同比例有机溶剂水溶液在光调节下的pH 值跃迁幅度。
实验结果显示，当有机溶剂在溶液中的摩尔分数达到0.25时，溶液在循环150小时后只损失了32%的pH值跃迁幅度，而纯水在24小时后已经损失了53%。
图说：图A中，当有机溶剂在溶液中的摩尔分数达到0.25时，溶液在循环150小时后仍然保持相对稳定的pH跃迁值
来源：Vries et al.
因此研究人员也得出了关键结论：有机溶剂的适量加入能够确保光酸的稳定性和溶解性。
研究人员通过实验，确定了有机溶剂和水的最佳比例。 经过改良后的有机溶液能够使光酸分子保持稳定近一个月。
“我们设计的系统另一个有趣的方面在于，我们可以使溶液在几秒钟内从碱性变为酸性，并在几分钟内变回碱性。相较于靠温度驱动的碳捕获系统，我们能够更快地在碳捕获和释放的状态之间来回切换。”德弗里斯表示。
课题组研究人员提到，目前还有一种在室温环境下捕获二氧化碳的方式也是可循环的。但这种方法在捕获二氧化碳后，为从过滤器中去除二氧化碳气体，必须将过滤器加热至100摄氏度左右。
加热和冷却都是需要额外的能源的。这两个过程也是该方法能耗的主要来源。
“相比之下，我们的工艺不需要任何加热或冷却，因此需要的能源少得多，”卢卡茨卡娅说。
但这项技术在走向市场之前，还需要进一步提高光酸分子的稳定性——而这也需要研究整个实验过程的参数以进一步优化。
首图来源： AI-generated Image ， ETH Zurich
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参考资料：
[1]https://interestingengineering.com/innovation/researchers-use-light-reactive-molecules-to-capture-carbon-dioxide
[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2024/01/240112114744.htm
[3]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.3c02435
[4]https://www.anthropocenemagazine.org/2024/01/using-light-to-capture-carbon-dioxide/
[5]https://unfccc.int/resource/climateaction2020/tep/thematic-areas/carbon-capture/index.html
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