气候变化对人类社会和自然环境的影响越来越显著，减少温室气体排放、缓解温室效应已成为全球共识。各国政府和科学界正在积极探索各种解决方案，而二氧化碳的捕获和封存技术是其中备受关注的重点之一。
近日，剑桥大学研究团队开发出一种新方法，利用改性活性炭来高效、低成本地从大气中捕获二氧化碳。这一突破性成果为应对日益严峻的全球变暖问题、实现碳中和目标提供了新的可能性。
全球建议二氧化碳截存（所有不同深度灰色系列）相对于已经实现（所有不同深度蓝色系列）的比较。天然气处理厂的截存达成率超过 75%，其他工业项目实成率约为 60%，发电厂的约为 10%。（图片来源：Wiki）
活性炭：家用滤水器中的“秘密武器”
活性炭，也被称为活性碳或活性炭素，是一种由碳材料制成的多孔物质。它通常由木材、煤炭、椰壳等富含碳元素的原料在高温无氧条件下炭化而成。
在炭化过程中，原料中的非碳元素被去除，同时内部形成大量微孔，使得活性炭具有极大的比表面积和优异的吸附性能。
活性炭的多孔表面（图片来源：Wiki）
活性炭最常见的应用之一就是家用滤水器。它能够有效去除水中的氯气、有机物、重金属离子等各类污染物质，提供洁净、健康的饮用水。除了净水领域，活性炭还被广泛用于空气净化、食品加工、化工生产等诸多行业。
它强大的吸附能力源于其独特的多孔结构：每克活性炭的表面积可达 500—1500 平方米，相当于两个网球场的面积。这种高度发达的孔隙结构使其能够吸附并固定大量的气体、液体或固体分子。
活性炭吸附染料示意图（右侧杯内为吸附前的状态）（图片来源：Wiki）
正是活性炭卓越的吸附性能启发了剑桥大学研究团队。他们设想，如果能够对活性炭进行改性，提高其对二氧化碳的选择性吸附能力，就可以开发出一种高效、经济的碳捕获技术。
于是，他们尝试通过类似给电池充电的方式，对活性炭施加特定的电场，使其表面富集电荷，从而增强对带电二氧化碳分子的吸引力。这就是“充电活性炭海绵”技术的核心原理。
“捕获”二氧化碳：
应对气候变化的“最后手段”
为了遏制全球变暖趋势，《巴黎协定》提出了将本世纪全球平均气温升幅控制在 2°C 以内、力争限制在 1.5°C 以内的目标。这意味着人类必须在本世纪下半叶实现二氧化碳净零排放，即通过减排和碳捕获等手段，实现二氧化碳排放量和去除量的平衡。
然而，单靠减少化石燃料使用、提高能源效率等减排措施来控制二氧化碳排放还远远不够。据政府间气候变化专门委员会（IPCC）估计，为了达到 1.5°C 的控温目标，除了大幅减排外，我们还需要在 2050 年前每年从大气中移除 50 亿~110 亿吨二氧化碳。
目前，植树造林是最常用的碳移除方法，但其潜力有限，难以满足如此大规模的需求。因此，研发高效、可扩展的碳捕获和储存技术就成为当务之急。
“充电活性炭海绵”研究的负责人亚历山大·福尔斯博士坦言，从大气中捕获二氧化碳应该是应对气候变化的“最后手段”。毕竟，与从源头减排相比，这种事后补救的方式成本更高、效率更低。“但考虑到气候危机的严重性，这是我们必须探索的方向。”福尔斯博士强调：“现实地说，我们必须竭尽所能。”
事实上，碳捕获和储存（CCS）技术已经成为国际社会应对气候变化的重要选项之一。各国政府和企业正在加大对 CCS 的投资和部署力度。国际能源署预测，到 2050 年，CCS 需要贡献全球减排量的 13%左右。
然而，当前 CCS 技术大多针对电厂、钢铁厂等大型点源，而对于分散的移动源和既有大气中的二氧化碳，则缺乏经济高效的捕获手段。这正是“充电活性炭海绵”的研究动机所在。
利用地形和环境来吸收和固定火力发电厂排放的二氧化碳的方法（图片来源：Wiki）
“充电”活性炭：更简单、更高效
传统的二氧化碳捕获材料，如氨基功能化的多孔硅胶、金属有机框架等，通常需要在高达 900°C 的温度下进行再生，才能释放出吸附的二氧化碳以便储存。这不仅能耗巨大，而且可能导致材料性能的快速衰减。
相比之下，剑桥大学团队研发的“充电”活性炭海绵展现了明显的优势。研究发现，经过“充电”处理的活性炭在吸附二氧化碳后，只需加热到 90~100°C 就能有效释放出捕获的二氧化碳。这一温度远低于传统材料，可以通过工业余热或可再生能源（如太阳能、地热等）实现，因此更加环保、节能。此外，这种加热过程是从材料内部开始的，避免了表面的局部过热，进一步提高了能源利用效率。
那么，“充电”是如何增强活性炭吸附二氧化碳的能力的呢？研究人员解释道，施加电场会在活性炭表面引入额外的电荷，使其对极性的二氧化碳分子产生更强的静电引力。同时，电场还可能改变活性炭的孔道结构，为二氧化碳分子的吸附提供更多停留点。这些机制的共同作用，显著提高了充电活性炭对二氧化碳的吸附容量和选择性。
值得一提的是，“充电”过程本身并不复杂。研究团队使用了一种类似于锂离子电池的装置，以活性炭为正极，金属锂为负极，二者之间填充电解液。通过外加电压，锂离子嵌入活性炭表面，形成表面电荷。这种装置设计简单，操作方便，有望实现低成本、大规模生产。
给活性炭网络“充电”的过程示意图（图片来源：参考文献 1）
挑战与展望
尽管“充电活性炭海绵”在二氧化碳捕获方面表现出色，但要真正实现产业化应用，仍有一些挑战需要克服。首先是吸附容量的进一步提升。目前，每克充电活性炭最多可吸附 3~4 毫摩尔的二氧化碳，与理论最大值还有一定差距。研究团队正在通过优化活性炭的孔隙结构、表面化学性质等方法来提高其吸附性能。
其次是材料的长期稳定性问题。反复的吸附-再生循环可能导致活性炭孔道坍塌、表面电荷流失等性能衰减。如何确保材料在多次使用后仍能保持高效吸附，是需要攻克的难题。研究人员计划通过表面包覆、掺杂等手段来增强活性炭的结构和化学稳定性。
此外，技术的放大应用也面临诸多考验，如反应器设计、系统集成、成本控制等。将实验室的样品制备放大到工业化生产，需要在材料、工艺、装备等各个环节进行优化和创新，这需要产学研各界的通力合作和持续投入。
尽管挑战不少，但“充电活性炭海绵”技术仍然令人感到鼓舞。它为开发更高效、更环保的碳捕获材料指明了一个全新的方向。福尔斯博士表示，这种策略不仅局限于活性炭，也可以拓展到其他多孔材料体系，用于不同领域的气体分离与净化。
作为实现碳中和目标的关键路径之一，CCS 正受到各国政府、工业界、学术界的高度重视。“充电活性炭海绵”的问世，无疑为这一领域注入了新的活力。它简单、高效、经济的特点有望推动 CCS 技术的发展和普及，为人类社会应对气候变化挑战贡献一份力量。
来源：科普中国