更有效地捕集二氧化碳的新技术可以减少发电厂的温室气体

金属有机框架具有高度的多孔性，使其非常适合吸收气体和液体。该图显示了基于金属镁（绿色球）的MOF的内部，并向孔中添加了四胺（蓝色和灰色）分子，从而更有效地吸收了发电厂排放的二氧化碳。

四胺修饰的MOF可以更有效，更便宜地去除90％的CO2。

碳捕集技术的重大进步可以为天然气发电厂提供一种有效，廉价的方式，以消除其烟道气中的二氧化碳，这是减少温室气体排放量以减缓全球变暖和气候变化的必要步骤。

这项新技术由加利福尼亚大学伯克利分校，劳伦斯伯克利国家实验室和埃克森美孚公司的研究人员开发，该新技术使用了一种高度多孔的材料，称为金属有机骨架或MOF，并用含氮的胺分子修饰以捕获二氧化碳和低温蒸汽冲洗掉二氧化碳以用于其他用途或将其隔离在地下。

在实验中，该技术显示出从烟道气中去除CO2的能力是目前基于胺的技术的六倍，并且具有很高的选择性，可以捕获90％以上的CO2排放。该工艺使用低温蒸汽来再生MOF，以便重复使用，这意味着碳捕集所需的能量更少。

“对于捕集二氧化碳来说，汽提—您直接与蒸汽接触以除去二氧化碳—是该领域的圣杯。这样做是最便宜的方法。”加州大学伯克利分校化学，化学和生物分子工程学教授，伯克利实验室高级教职人员，资深研究员Jeffrey Long说。“这些材料，至少从到目前为止我们进行的实验中，看起来非常有前途。”

由于捕获的大多数二氧化碳的市场不多，发电厂很可能会将其大部分抽回地面或封存起来，理想情况下会转化成岩石。净化排放的成本必须通过政府政策（例如碳交易或碳税）来促进，以激励二氧化碳的捕集和封存，许多国家已经在实施这一措施。

这项工作由埃克森美孚（ExxonMobil）资助，埃克森美孚与伯克利集团以及Long的初创企业Mosaic Materials Inc.合作，开发，扩大规模并测试用于从排放物中清除CO2的工艺。

Long是描述该新技术的论文的高级作者，该论文发表于2020年7月24日的《科学》杂志上。

MOF中单个孔的原子结构，显示二氧化碳分子（灰色和红色球体）如何与四胺（蓝色和白色球体）结合，从而形成穿过该孔的CO2聚合物。低温蒸汽可以去除二氧化碳以进行封存，从而使MOF可以重复使用以从电厂排放物中捕获更多的碳。

“我们能够进行最初的发现，并通过研究和测试得出了一种材料，该材料在实验室实验中显示出不仅在天然气电厂烟气排放中存在的极端条件下捕获二氧化碳的潜力，而且能够因此，在不降低选择性的情况下，”埃克森美孚研究与工程公司高级研究员，项目负责人西蒙·韦斯顿说，“我们已经证明，这些新材料可以用低级蒸汽进行再生，以供重复使用，为可行的大规模碳捕集解决方案提供了途径。”

燃烧化石燃料的车辆，发电厂和工业产生的二氧化碳估计占导致气候变化的温室气体的65％，自19世纪以来，这已经使地球的平均温度升高了华氏1.8度（摄氏1度）。在不减少这些排放的情况下，气候学家们预测温度会越来越高，风暴更加不稳定和猛烈，海平面上升几英尺，并导致干旱，洪水，火灾，饥荒和冲突。

朗说：“实际上，政府间气候变化专门委员会说，在控制全球变暖方面我们需要做的事情中，二氧化碳的捕获是很大的一部分。”“我们没有要停止排放的大部分二氧化碳，但我们必须这样做。”

剥离

如今，发电厂通过将烟道气体通过水中的有机胺鼓泡来去除烟道排放中的CO2，而有机胺会结合并提取二氧化碳。然后将液体加热到120-150 C（250-300 F）以释放CO2气体，然后再使用液体。整个过程消耗了大约30％的发电量。将捕获的二氧化碳封存在地下的成本虽然很小，但却只是其中的一小部分。

以天然气为燃料的发电厂。一种新技术可以从此类工厂的排放物中捕获二氧化碳，以便将其隔离在地下并减少造成气候变化的温室气体。

六年前，由美国能源部资助的加州大学伯克利分校气体分离中心的Long和他的小组发现了一种化学修饰的MOF，可以很容易地从集中发电厂的烟道气中捕集CO2，有可能将捕集成本降低一半。他们将二胺分子添加到基于镁的MOF中，以催化CO2聚合物链的形成，然后可通过用潮湿的二氧化碳流冲洗而将其清除。

由于MOF非常多孔，因此在这种情况下像蜂窝一样，回形针的重量一定量的内表面积等于足球场的内表面积，所有这些都可用于吸收气体。

附加胺的MOF的主要优点是，可以对胺进行调整以捕获不同浓度的CO2，其浓度范围从燃煤电厂排放的12％至15％，到天然气电厂排放的4％，甚至更多。降低环境空气中的浓度。Long共同创立和指导的马赛克材料的创建是为了使该技术广泛用于电力和工业工厂。

但是冲洗捕获的CO2所需的180 C的水和CO2物流最终驱走了二胺分子，从而缩短了材料的寿命。新版本使用四个胺分子-四胺-在高温和有蒸汽的情况下更加稳定。

Long说：“四胺在MOF中的结合非常牢固，以至于我们可以使用二氧化碳浓度为零的非常浓的水蒸气流，如果您尝试使用以前的吸附剂，则蒸汽将开始破坏该物质，” Long说。

他们表明，与110-120 C（略高于水的沸点）的蒸汽直接接触可以很好地冲洗掉CO2。在天然气发电厂中很容易获得该温度下的蒸汽，而再生早期的MOF所需的180 C CO2-水混合物需要加热，这浪费了能量。

当Long，Weston和他们的同事第一次考虑用更坚韧的四胺代替二胺时，这似乎是一个漫长的尝试。但是含二胺的MOF的晶体结构表明，可能存在连接两个二胺形成四胺的方法，同时保留了材料聚合CO2的能力。当论文的第一作者加州大学伯克利分校的研究生Eugene Kim用化学方法创建了附有四胺的MOF时，在第一次尝试中它的性能就超过了附有二胺的MOF。

研究人员随后使用伯克利实验室（Berkeley Lab）的Advanced Light Source研究了修饰的MOF的结构，结果发现，排列在MOF孔中的CO2聚合物实际上是由四胺连接的，就像梯子与四胺作为梯级一样。使用伯克利实验室国家能源研究科学计算中心（NERSC）的Cori超级计算机进行第一原理密度泛函理论计算，Molecular Foundry的计算资源以及校园的伯克利研究计算程序提供的资源证实了Long团队最初设想的出色结构。

朗说：“我在加州从事研究已有23年了，这是你有一个疯狂主意的时代，它立刻就起作用了。”

参考：Eugene J. Kim，Rebecca L. Siegelman，Henry ZH Jiang，Alexander C. Forse，Jung-Hoon Lee，Jeffrey D. Martell，Phillip J. Milner撰写的“用四胺附加的金属-有机骨架进行合作的碳捕获和蒸汽再生” ，Joseph M.Falkowski，Jeffrey B.Neaton，Jeffrey A.Reimer，Simon C.Weston和Jeffrey R.Long，2020年7月24日，科学。
10.1126 / science.abb3976

Long，Kim和Weston的合著者是埃克森美孚公司的Joseph Falkowski。丽贝卡·西格尔曼（Rebecca Siegelman），亨利·江（Henry Jiang），亚历山大·福斯（Alexander Forse），杰弗里·马爹利（Jeffrey Martell），菲利普·米尔纳（Phillip Milner），杰弗里·雷默（Jeffrey Reimer）和杰弗里·尼顿（Jeffrey Neaton），来自加州大学伯克利分校。和伯克利实验室的Jung-Hoon LeeNeaton和Reimer也是伯克利实验室的资深教授。