氣候變遷對人類社會和自然環境的影響越來越顯著，減少溫室氣體排放、緩解溫室效應已成為全球共識。各國政府和科學界正在積極探索各種解決方案，而二氧化碳的捕獲和封存技術是其中備受關註的重點之一。
近日，劍橋大學研究團隊開發出一種新方法，利用改性活性炭來高效、低成本地從大氣中捕獲二氧化碳。這一突破性成果為應對日益嚴峻的全球暖化問題、實作碳中和目標提供了新的可能性。
全球建議二氧化碳截存（所有不同深度灰色系列）相對於已經實作（所有不同深度藍色系列）的比較。天然氣處理廠的截存達成率超過75%，其他工業專案 實成率 約為60%，發電廠的約為10%。
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活性炭：家用濾水器中的「秘密武器」
活性炭，也被稱為活性碳或活性炭素，是一種由碳材料制成的多孔物質。它通常由木材、煤炭、椰殼等富含碳元素的原料在高溫無氧條件下炭化而成。
在炭化過程中，原料中的非碳元素被去除，同時內部形成大量微孔，使得活性炭具有極大的比表面積和優異的吸附效能。
活性炭的多孔表面
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活性炭最常見的套用之一就是家用濾水器。它能夠有效去除水中的氯氣、有機物、重金屬離子等各類汙染物質，提供潔凈、健康的飲用水。除了凈水領域，活性炭還被廣泛用於空氣凈化、食品加工、化工生產等諸多行業。
它強大的吸附能力源於其獨特的多孔結構：每克活性炭的表面積可達500—1500平方米，相當於兩個網球場的面積。這種高度發達的孔隙結構使其能夠吸附並固定大量的氣體、液體或固體分子。
活性炭吸附染料示意圖（右側杯內為吸附前的狀態）
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正是活性炭卓越的吸附效能啟發了劍橋大學研究團隊。他們設想，如果能夠對活性炭進行改性，提高其對二氧化碳的選擇性吸附能力，就可以開發出一種高效、經濟的碳捕獲技術。
於是，他們嘗試透過類似給電池充電的方式，對活性炭施加特定的電場，使其表面富集電荷，從而增強對帶電二氧化碳分子的吸重力。這就是「充電活性炭海綿」技術的核心原理。
「捕獲」二氧化碳：應對氣候變遷的「最後手段」
為了遏制全球暖化趨勢，【巴黎協定】提出了將本世紀全球平均氣溫升幅控制在2°C以內、力爭限制在1.5°C以內的目標。這意味著人類必須在本世紀下半葉實作二氧化碳凈零排放，即透過減排和碳捕獲等手段，實作二氧化碳排放量和去除量的平衡。
然而，單靠減少化石燃料使用、提高能源效率等減排措施來控制二氧化碳排放還遠遠不夠。據政府間氣候變遷專門委員會（IPCC）估計，為了達到1.5°C的控溫目標，除了大幅減排外，我們還需要在2050年前每年從大氣中移除50億—110億噸二氧化碳。
目前，植樹造林是最常用的碳移除方法，但其潛力有限，難以滿足如此大規模的需求。因此，研發高效、可延伸的碳捕獲和儲存技術就成為當務之急。
「充電活性炭海綿」 研究的負責人亞歷山大·福爾斯博士坦言，從大氣中捕獲二氧化碳應該是應對氣候變遷的「最後手段」。 畢竟，與從源頭減排相比，這種事後補救的方式成本更高、效率更低。「但考慮到氣候危機的嚴重性，這是我們必須探索的方向。」福爾斯博士強調：「現實地說，我們必須竭盡所能。」
事實上，碳捕獲和儲存（CCS）技術已經成為國際社會應對氣候變遷的重要選項之一。各國政府和企業正在加大對CCS的投資和部署力度。國際能源署預測，到2050年，CCS需要貢獻全球減排量的13%左右。
然而，當前CCS技術大多針對電廠、鋼鐵廠等大型點源，而對於分散的移動源和既有大氣中的二氧化碳，則缺乏經濟高效的捕獲手段。這正是「充電活性炭海綿」的研究動機所在。
利用地形和環境來吸收和固定火力發電廠排放的二氧化碳的方法
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「充電」活性炭：更簡單、更高效
傳統的二氧化碳捕獲材料，如胺基功能化的多孔矽膠、金屬有機框架等，通常需要在高達900°C的溫度下進行再生，才能釋放出吸附的二氧化碳以便儲存。這不僅能耗巨大，而且可能導致材料效能的快速衰減。
相比之下，劍橋大學團隊研發的「充電」活性炭海綿展現了明顯的優勢。研究發現，經過「充電」處理的活性炭在吸附二氧化碳後，只需加熱到90—100°C就能有效釋放出捕獲的二氧化碳。這一溫度遠低於傳統材料，可以透過工業余熱或可再生能源（如太陽能、地熱等）實作，因此更加環保、節能。此外，這種加熱過程是從材料內部開始的，避免了表面的局部過熱，進一步提高了能源利用效率。
那麽，「充電」是如何增強活性炭吸附二氧化碳的能力的呢？ 研究人員解釋道，施加電場會在活性炭表面引入額外的電荷，使其對極性的二氧化碳分子產生更強的靜電重力。同時，電場還可能改變活性炭的孔道結構，為二氧化碳分子的吸附提供更多停留點。這些機制的共同作用，顯著提高了充電活性炭對二氧化碳的吸附容量和選擇性。
值得一提的是，「充電」過程本身並不復雜。研究團隊使用了一種類似於鋰離子電池的裝置，以活性炭為正極，金屬鋰為負極，二者之間填充電解液。透過外加電壓，鋰離子嵌入活性炭表面，形成表面電荷。這種裝置設計簡單，操作方便，有望實作低成本、大規模生產。
給活性炭網絡「充電」的過程示意圖
（圖片來源：參考文獻1）
挑戰與展望
盡管「充電活性炭海綿」在二氧化碳捕獲方面表現出色，但要真正實作產業化套用，仍有一些挑戰需要克服。首先是吸附容量的進一步提升。目前，每克充電活性炭最多可吸附3—4毫摩爾的二氧化碳，與理論最大值還有一定差距。研究團隊正在透過最佳化活性炭的孔隙結構、表面化學性質等方法來提高其吸附效能。
其次是材料的長期穩定性問題。反復的吸附-再生迴圈可能導致活性炭孔道坍塌、表面電荷流失等效能衰減。如何確保材料在多次使用後仍能保持高效吸附，是需要攻克的難題。研究人員計劃透過表麪包覆、摻雜等手段來增強活性炭的結構和化學穩定性。
此外，技術的放大套用也面臨諸多考驗，如反應器設計、系統整合、成本控制等。將實驗室的樣品制備放大到工業化生產，需要在材料、工藝、裝備等各個環節進行最佳化和創新，這需要產學研各界的通力合作和持續投入。
盡管挑戰不少，但「充電活性炭海綿」技術仍然令人感到鼓舞。它為開發更高效、更環保的碳捕獲材料指明了一個全新的方向。福爾斯博士表示，這種策略不僅局限於活性炭，也可以拓展到其他多孔材料體系，用於不同領域的氣體分離與凈化。
作為實作碳中和目標的關鍵路徑之一，CCS正受到各國政府、工業界、學術界的高度重視。「充電活性炭海綿」的問世，無疑為這一領域註入了新的活力。它簡單、高效、經濟的特點有望推動CCS技術的發展和普及，為人類社會應對氣候變遷挑戰貢獻一份力量。
參考文獻：1. Capturing carbon dioxide from air with charged-sorbents. Huaiguang Li, Mary E. Zick, Teedhat Trisukhon, Matteo Signorile, Xinyu Liu, Helen Eastmond, Shivani Sharma, Tristan L. Spreng, Jack Taylor, Jamie W. Gittins, Cavan Farrow, S. Alexandra Lim, Valentina Crocellà, Phillip J. Milner & Alexander C. Forse
2. Scientists charge 'charcoal sponge' to soak up CO2. BB C News
3. Cambridge researchers unveil ‘electric sponge’ to capture CO2. Dominic Ellis
4. 科技日報：直接「抓走」空氣中的二氧化碳，有辦法嗎？
出品：科普中國
作者：郭菲（煙台大學）
監制：中國科普博覽
