铝基材料可以去除燃煤发电厂废气中的二氧化碳

一个国际研究团队提出了使用甲酸铝——一种金属-有 机框架(MOF)——在温室气体到达大气之前从燃煤电厂的废气中去除二氧化碳的想法。

在发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中，研究小组解释说，MOFs在过滤和分离有 机物质(通常是化石燃料中的各种碳氢化合物)方面表现出了巨大的潜力。一些MOFs在精炼天然气或分离汽油辛烷值组分方面显示出了前景;其他可能有助于降低塑料制造成本或廉价地将一种物质转化为另一种物质。它们进行这种分离的能力来自于它们固有的多孔性。

其中，甲酸铝——科学家们称之为ALF——已被证明能有效地将二氧化碳从燃煤发电厂烟囱中喷出的其他气体中分离出来。它也缺乏其他提出的碳过滤材料的缺点。

作为一个群体，MOFs在过滤和分离有 机物质(通常是化石燃料中的各种碳氢化合物)方面表现出了巨大的潜力。一些MOFs在精炼天然气或分离汽油辛烷值组分方面显示出了前景;其他可能有助于降低塑料制造成本或廉价地将一种物质转化为另一种物质。它们进行这种分离的能力来自于它们固有的多孔性。

燃煤发电厂的废气(左图)含有大量的二氧化碳(紫色的三元分子)。右边突出显示的甲酸铝可以选择性地从干燥的烟道气中捕获二氧化碳。(图片由B.Hayes/NIST提供)。

该论文的主要作者之一海登·埃文斯(HaydenEvans)在一份媒体声明中说:“这项工作令人兴奋的是，相对于其他高性能的二氧化碳吸吸剂，ALF的性能非常好，但它在简单性、总体稳定性和制备容易方面与设计化合物竞争。”“它是由两种容易发现且储量丰富的物质组成的，因此制造足够多的ALF以极低的成本广泛使用应该是可能的。”

埃文斯说，在二氧化碳到达大气之前首先将其从烟道气中清除是一种合乎逻辑的方法，但事实证明，要制造一种有效的洗涤器具有挑战性。从燃煤发电厂的烟囱中流出的混合气体通常是炎热、潮湿和具有腐蚀性的，这些特性使得很难找到一种经济的材料来有效地完成这项工作。

其他一些mof效果不错，但材料昂贵;其他的设备本身成本较低，但只有在干燥条件下才能充分发挥作用，需要一个“干燥步骤”，降低了气体湿度，但提高了擦洗过程的总体成本。

埃文斯说:“把它们组合在一起，你需要某种神 奇的材料。”“在这里，我们成功地满足了所有条件，除了在非常潮湿的条件下保持稳定。然而，使用ALF足够便宜，干燥步骤成为一个可行的选择。”

ALF是由氢氧化铝和甲酸制成的，这两种化学物质在市场上很丰富，很容易买到。每公斤的成本不到1美元，比其他性能相似的材料便宜100倍。

埃文斯指出，低成本很重要，因为单个工厂的碳捕获可能需要多达数万吨的过滤材料。

它是如何工作的

在微观尺度上，ALF就像一个带有无数小孔的三维铁丝笼。这些孔洞大到足以让二氧化碳分子进入并被困住，但又小到足以排除构成烟气大部分的略大的氮分子。中子衍射工作向该团队展示了材料中的各个笼子是如何收集和填充二氧化碳的，揭示了气体分子在ALF中的某些笼子中就像手戴手套一样适合。

尽管ALF很有潜力，但还不能立即投入使用。工程师们需要设计一个大规模制造ALF的程序。燃煤电厂也需要一个兼容的过程来降低烟气的湿度，然后再进行清洗。埃文斯说，人们已经对如何解决这些问题有了很大的了解，而且他们不会使使用ALF的成本望而却步。

研究人员还指出，之后如何处理二氧化碳也是一个主要问题，尽管这是所有碳捕获材料的一个问题。

目前正在进行将其转化为甲酸的研究，甲酸不仅是一种天然的有 机物质，也是ALF的两种成分之一。这里的想法是，ALF可以成为循环过程的一部分，在这个过程中，ALF从尾气流中去除二氧化碳，捕获的二氧化碳被用来制造更多的甲酸。然后，这些甲酸将被用于生产更多的ALF，进一步降低了材料循环的整体影响和成本。

埃文斯说:“现在有大量的研究正在进行，研究如何处理所有捕获的二氧化碳。”“我们似乎有可能Z终利用太阳能从水中分离氢，然后将氢与二氧化碳结合，生成更多的甲酸。与ALF结合起来，这将是一个有助于地球的解决方案。”