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隊在二氧化碳捕集封存研究方面取得進展，提出了基于可循環(huán)再生納米材料和動態(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，為實現(xiàn)經(jīng)濟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態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)，研究團隊提出利用天然液態(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)，而納米粒子布朗運動產(chǎn)生的微對流與界面吸附作用有效促進了二氧化碳的液膜擴散、限域富集與團簇連鎖成核，水合物氫鍵納米籠生成的誘導(dǎo)時間縮短了90%以上，此外，核殼型有機超順磁納米粒子的高分散度也被用于強化氣-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，二氧化碳捕集容量可達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度賦予了氫鍵水籠獨特的動態(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，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)捕集過程的機械摩擦、粒子碰撞、流體剪切力與結(jié)晶應(yīng)力演變等機械效應(yīng)，并在持續(xù)11900分鐘的17次獨立循環(huán)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能穩(wěn)定性。

團隊通過實時無標(biāo)記細(xì)胞分析獲得的時變歸一化細(xì)胞參數(shù)及活性特征，證實了該納米復(fù)合材料良好的生物相容性。