氣候變化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注的重點之一。
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變暖問題、實作碳中和目标提供了新的可能性。
全球建議二氧化碳截存（所有不同深度灰色系列）相對于已經實作（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%，其他工業項目實成率約為 60%，發電廠的約為 10%。（圖檔來源：Wiki）
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，同時内部形成大量微孔，使得活性炭具有極大的比表面積和優異的吸附性能。
活性炭的多孔表面（圖檔來源：Wiki）
活性炭最常見的應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、重金屬離子等各類污染物質，提供潔淨、健康的飲用水。除了淨水領域，活性炭還被廣泛用于空氣淨化、食品加工、化工生産等諸多行業。
它強大的吸附能力源于其獨特的多孔結構：每克活性炭的表面積可達 500—1500 平方米，相當于兩個網球場的面積。這種高度發達的孔隙結構使其能夠吸附并固定大量的氣體、液體或固體分子。
活性炭吸附染料示意圖（右側杯内為吸附前的狀态）（圖檔來源：Wiki）
正是活性炭卓越的吸附性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。
于是，他們嘗試通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，進而增強對帶電二氧化碳分子的吸引力。這就是“充電活性炭海綿”技術的核心原理。
“捕獲”二氧化碳：
應對氣候變化的“最後手段”
為了遏制全球變暖趨勢，《巴黎協定》提出了将本世紀全球平均氣溫升幅控制在 2°C 以内、力争限制在 1.5°C 以内的目标。這意味着人類必須在本世紀下半葉實作二氧化碳淨零排放，即通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。據政府間氣候變化專門委員會（IPCC）估計，為了達到 1.5°C 的控溫目标，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。是以，研發高效、可擴充的碳捕獲和儲存技術就成為當務之急。
“充電活性炭海綿”研究的負責人亞曆山大·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化的“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化的重要選項之一。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，目前 CCS 技術大多針對電廠、鋼鐵廠等大型點源，而對于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（圖檔來源：Wiki）
“充電”活性炭：更簡單、更高效
傳統的二氧化碳捕獲材料，如氨基功能化的多孔矽膠、金屬有機架構等，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，而且可能導緻材料性能的快速衰減。
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，隻需加熱到 90~100°C 就能有效釋放出捕獲的二氧化碳。這一溫度遠低于傳統材料，可以通過工業餘熱或可再生能源（如太陽能、地熱等）實作，是以更加環保、節能。此外，這種加熱過程是從材料内部開始的，避免了表面的局部過熱，進一步提高了能源利用效率。
那麼，“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産生更強的靜電引力。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”過程本身并不複雜。研究團隊使用了一種類似于锂離子電池的裝置，以活性炭為正極，金屬锂為負極，二者之間填充電解液。通過外加電壓，锂離子嵌入活性炭表面，形成表面電荷。這種裝置設計簡單，操作友善，有望實作低成本、大規模生産。
給活性炭網絡“充電”的過程示意圖（圖檔來源：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，但要真正實作産業化應用，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。研究團隊正在通過優化活性炭的孔隙結構、表面化學性質等方法來提高其吸附性能。
其次是材料的長期穩定性問題。反複的吸附-再生循環可能導緻活性炭孔道坍塌、表面電荷流失等性能衰減。如何確定材料在多次使用後仍能保持高效吸附，是需要攻克的難題。研究人員計劃通過表面包覆、摻雜等手段來增強活性炭的結構和化學穩定性。
此外，技術的放大應用也面臨諸多考驗，如反應器設計、系統內建、成本控制等。将實驗室的樣品制備放大到工業化生産，需要在材料、工藝、裝備等各個環節進行優化和創新，這需要産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，這種政策不僅局限于活性炭，也可以拓展到其他多孔材料體系，用于不同領域的氣體分離與淨化。
作為實作碳中和目标的關鍵路徑之一，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，無疑為這一領域注入了新的活力。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化挑戰貢獻一份力量。
來源：科普中國