碳捕集技術(shù)的重大進(jìn)步可以為天然氣發(fā)電廠提供一種有效，廉價(jià)的方式，以消除其煙道氣中的二氧化碳，這是減少溫室氣體排放以減緩全球變暖和氣候變化的必要步驟。

這項(xiàng)新技術(shù)由加利福尼亞大學(xué)伯克利分校，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和?？松梨诠镜难芯咳藛T開(kāi)發(fā)，使用了一種高度多孔的材料，稱(chēng)為金屬有機(jī)骨架或MOF，并用含氮胺分子修飾以捕獲CO2和高溫蒸汽沖洗掉CO2用作其他用途或?qū)⑵涓綦x在地下。

在實(shí)驗(yàn)中，該技術(shù)顯示出從煙道氣中去除CO2的能力是目前基于胺的技術(shù)的六倍，并且具有很高的選擇性，可以捕獲90%以上的CO2排放。該過(guò)程使用低溫蒸汽來(lái)再生MOF，以便重復(fù)使用，這意味著碳捕獲所需的能量更少。

高級(jí)研究員說(shuō)：“對(duì)于CO2捕集，蒸汽汽提(您直接與蒸汽接觸以除去CO2)一直是該領(lǐng)域的圣杯。它被認(rèn)為是最便宜的方法，”加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)與化學(xué)和生物分子工程學(xué)教授，伯克利實(shí)驗(yàn)室高級(jí)教職研究員Jeffrey Long。“這些材料，至少?gòu)牡侥壳盀橹刮覀冞M(jìn)行的實(shí)驗(yàn)來(lái)看，看起來(lái)很有希望。”

因?yàn)椴东@的大多數(shù)CO2的市場(chǎng)都不多，所以發(fā)電廠很可能會(huì)將大部分的CO2抽回地面或封存起來(lái)，理想情況下會(huì)轉(zhuǎn)化成巖石。凈化排放的成本將必須通過(guò)政府政策(例如碳交易或碳稅)來(lái)促進(jìn)，以激勵(lì)CO2捕集和封存，許多國(guó)家已經(jīng)在實(shí)施這一措施。

這項(xiàng)工作由埃克森美孚(ExxonMobil)資助，?？松梨谂c伯克利集團(tuán)和Long的初創(chuàng)企業(yè)Mosaic Materials Inc.合作，開(kāi)發(fā)，擴(kuò)大規(guī)模并測(cè)試用于從排放物中去除CO2的工藝。

Long是描述該新技術(shù)的論文的高級(jí)作者，該新技術(shù)將于7月24日出版在“科學(xué)”(Science)雜志上。

“我們能夠進(jìn)行最初的發(fā)現(xiàn)，并通過(guò)研究和測(cè)試，得出了一種材料，該材料在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中顯示出不僅在天然氣電廠煙氣排放中存在的極端條件下捕獲CO2的潛力，而且還可以這樣做既不會(huì)損失選擇性，”?？松梨谘芯颗c工程公司高級(jí)研究員，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人西蒙•韋斯頓(Simon Weston)說(shuō)道。“我們已經(jīng)證明，這些新材料可以用低級(jí)蒸汽進(jìn)行再生，以便重復(fù)使用。 ，為大規(guī)模的碳捕集提供可行的解決方案。”

燃燒化石燃料的車(chē)輛，發(fā)電廠和工業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳估計(jì)占導(dǎo)致氣候變化的溫室氣體的65%，自19世紀(jì)以來(lái)，這已經(jīng)使地球的平均溫度升高了華氏1.8度(攝氏1度)。在不減少這些排放的情況下，氣候?qū)W家們預(yù)測(cè)溫度會(huì)越來(lái)越高，風(fēng)暴更加不穩(wěn)定和猛烈，海平面上升幾英尺，并導(dǎo)致干旱，洪水，火災(zāi)，饑荒和沖突。

朗說(shuō)：“實(shí)際上，政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)說(shuō)，在控制全球變暖方面我們需要做的事情中，CO2的捕獲是很大的一部分。”“我們不需要停止排放的大部分CO2，但我們必須這樣做。”

剝離

如今，發(fā)電廠通過(guò)將煙道氣通過(guò)水中的有機(jī)胺鼓泡來(lái)去除煙道排放中的CO2，從而結(jié)合并提取二氧化碳。然后將液體加熱到120-150 C(250-300 F)以釋放CO2氣體，然后再使用液體。整個(gè)過(guò)程消耗了大約30%的發(fā)電量。將捕獲的CO2隔離在地下的成本雖然很小，但卻只是其中的一小部分。

六年前，Long和他的小組在美國(guó)能源部資助的加州大學(xué)伯克利分校的氣體分離中心發(fā)現(xiàn)了一種化學(xué)修飾的MOF，它可以很容易地從集中發(fā)電廠的煙道氣中捕獲CO2，有可能將捕獲成本降低一半。他們將二胺分子添加到基于鎂的MOF中，以催化CO2聚合物鏈的形成，然后可通過(guò)用潮濕的二氧化碳流沖洗而將其清除。

由于MOF非常多孔，因此在這種情況下像蜂窩一樣，回形針的重量一定量的內(nèi)表面積等于足球場(chǎng)的內(nèi)表面積，所有這些都可以吸收氣體。

附加胺的MOF的主要優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)胺進(jìn)行調(diào)整，以捕獲不同濃度的CO2，從燃煤電廠排放的12%至15%到天然氣電廠的4%，甚至是天然氣電廠的4%?？諝庵械臐舛纫偷枚?。Long共同創(chuàng)立和指導(dǎo)的馬賽克材料的創(chuàng)建是為了使該技術(shù)廣泛用于電力和工業(yè)工廠。

但是水的180℃流和CO2所需要沖洗所捕獲的CO2最終驅(qū)動(dòng)器上關(guān)閉二胺分子，縮短了材料的使用壽命。新版本使用四個(gè)胺分子-四胺-在高溫和蒸汽存在下更加穩(wěn)定。

Long說(shuō)：“四胺牢固地結(jié)合在MOF中，以至于我們可以使用濃度非常高且CO2為零的水蒸氣流，如果您嘗試使用以前的吸附劑，蒸汽將開(kāi)始破壞該材料。”

他們表明，與110-120 C(略高于水的沸點(diǎn))的蒸汽直接接觸可以很好地沖洗掉CO2。在天然氣發(fā)電廠中很容易獲得該溫度下的蒸汽，而再生早期的改良MOF所需的180 C CO2-水混合物需要加熱，這浪費(fèi)了能量。

當(dāng)Long，Weston和他們的同事第一次考慮用更堅(jiān)韌的四胺代替二胺時(shí)，這似乎是遙不可及的。但是含二胺的MOF的晶體結(jié)構(gòu)表明，可能存在連接兩個(gè)二胺形成四胺的方法，同時(shí)保留了材料聚合CO2的能力。當(dāng)論文的第一作者加州大學(xué)伯克利分校的研究生Eugene Kim用化學(xué)方法制備了附有四胺的MOF時(shí)，在第一次嘗試中它的性能就超過(guò)了附有二胺的MOF。

研究人員隨后使用伯克利實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)的Advanced Light Source研究了修飾的MOF的結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，排列在MOF孔中的CO2聚合物實(shí)際上是由四胺連接的，就像梯子與四胺作為梯級(jí)一樣。使用伯克利實(shí)驗(yàn)室國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心(NERSC)的Cori超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行第一原理密度泛函理論計(jì)算，Molecular Foundry的計(jì)算資源以及校園的伯克利研究計(jì)算程序提供的資源證實(shí)了Long團(tuán)隊(duì)最初設(shè)想的出色結(jié)構(gòu)。

朗說(shuō)：“我在加州從事研究已有23年了，這是你有一個(gè)瘋狂主意的時(shí)代，它立刻就起作用了。”

Long，Kim和Weston的合著者是?？松梨诠镜腏oseph Falkowski。麗貝卡·西格爾曼(Rebecca Siegelman)，亨利·江(Henry Jiang)，亞歷山大·福斯(Alexander Forse)，杰弗里·馬爹利(Jeffrey Martell)，菲利普·米爾納(Phillip Milner)，杰弗里·雷默(Jeffrey Reimer)和杰弗里·尼頓(Jeffrey Neaton)，來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校。和伯克利實(shí)驗(yàn)室的Jung-Hoon LeeNeaton和Reimer也是伯克利實(shí)驗(yàn)室的資深教師。