眾所周知，二氧化碳是造成氣候變化的*大因素，主要來(lái)源于化石燃料的燃燒。雖然世界各地正在努力結(jié)束我們對(duì)化石燃料的依賴，但綠色能源的前景仍有待發(fā)展。在此期間，我們能做些什么來(lái)降低大氣中的二氧化碳濃度嗎?
事實(shí)上，如果大氣中的二氧化碳能被簡(jiǎn)單地吸附，那就太好了!事實(shí)證明，這正是直接空氣捕獲(DAC)，或在環(huán)境條件下捕獲二氧化碳的目的。然而，到目前為止，還沒(méi)有開發(fā)出能夠在DAC條件下有效吸附二氧化碳的材料。眾所周知，二氧化碳在自然界中是酸性的。因此，一般采用堿性材料作為CO2吸附劑。然而，這往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的腐蝕，也不適合回收吸附的二氧化碳，從事表面化學(xué)研究的日本岡山大學(xué)教授Yasushige Kuroda解釋說(shuō)。
研究人員在室溫下觀察到沸石對(duì)CO2的吸附 為空氣凈化打開大門
利用A型沸石在室溫和低壓區(qū)域選擇性和優(yōu)異的CO2解吸的新途徑；如圖所示，被吸附的CO2分子同時(shí)被兩種Ca2 +離子固定，這兩種Ca2 +離子在相應(yīng)的位置交換，這些位置包括并排排列的8和6元環(huán)。我們已經(jīng)成功地從包含N2、O2、CO2和CH4的氣體混合物中分離出了CO2。
在這種背景下，在*近發(fā)表在《材料化學(xué)雜志a》上的一項(xiàng)研究中，由Kuroda教授領(lǐng)導(dǎo)的岡山大學(xué)和日本同步輻射研究所(JASRI)的科學(xué)家們探索了迄今為止仍處于“不受歡迎”狀態(tài)的材料的吸附特性:沸石(主要含鋁和硅氧化物的礦物)。Kuroda教授說(shuō)，由于沸石材料在室溫和低壓吸附區(qū)對(duì)CO2的吸附能力較低，以及對(duì)氮?dú)獾倪x擇性較差，因此作為吸附劑的沸石材料很少受到關(guān)注。
在他們的研究中，Kuroda教授和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種堿土離子沸石的離子交換方法，在環(huán)境條件下獲得了非常高的CO2吸附。研究小組特別選擇了a型沸石(硅鋁比為1)，因?yàn)樗m合吸附二氧化碳，而堿土離子交換產(chǎn)生了很大的電場(chǎng)強(qiáng)度，據(jù)說(shuō)這是吸附的驅(qū)動(dòng)力。科學(xué)家選擇雙電荷鈣離子(Ca2+)作為交換離子，因?yàn)樗试S*大的吸附量。事實(shí)上，所記錄的吸附體積是任何沸石體系所吸附的CO2的*大數(shù)量，超過(guò)了其他材料在類似條件下的吸附量。
為了研究潛在的吸附機(jī)制，科學(xué)家們進(jìn)行了遠(yuǎn)紅外(far-IR)測(cè)量，并使用密度泛函理論(DFT)計(jì)算支持他們。遠(yuǎn)紅外光譜檢測(cè)到Ca2+沸石振動(dòng)的振動(dòng)模式，顯示出CO2吸附后向更長(zhǎng)的波長(zhǎng)的明顯轉(zhuǎn)移，這是科學(xué)家在其他樣品中無(wú)法識(shí)別的特征，如鈉離子交換a型沸石。他們用一個(gè)模型進(jìn)一步驗(yàn)證了他們的觀察結(jié)果，該模型顯示了與DFT計(jì)算的良好一致性。
此外，科學(xué)家能夠完全解吸被吸附的二氧化碳，并恢復(fù)原始樣品及其特定的吸附特性。此外，在科學(xué)家使用模擬環(huán)境空氣成分的模型氣體檢測(cè)了二氧化碳的分離后，該樣品顯示了對(duì)其他氣體中二氧化碳的優(yōu)越選擇性吸附。
研究人員在室溫下觀察到沸石對(duì)CO2的吸附 為空氣凈化打開大門
這一發(fā)現(xiàn)使得沸石在環(huán)境條件下作為一種高效的二氧化碳吸附劑被提上了前臺(tái)，這在以前被認(rèn)為是這些系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。黑田教授興奮地推測(cè)道，我們的工作可以為沸石潛在的新應(yīng)用打開大門，比如在半封閉空間(包括航天飛機(jī)、潛艇和音樂(lè)廳)的空氣凈化，以及在麻醉過(guò)程中作為吸附材料。
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