碳捕集技術(shù)的重大進(jìn)步可以為天然氣發(fā)電廠提供一種有效，廉價的方式，以消除其煙道氣中的二氧化碳，這是減少溫室氣體排放以減緩全球變暖和氣候變化的必要步驟。

這項新技術(shù)由加利福尼亞大學(xué)伯克利分校，勞倫斯伯克利國家實驗室和?？松梨诠镜难芯咳藛T開發(fā)，使用了一種高度多孔的材料，稱為金屬有機(jī)骨架或MOF，并用含氮胺分子修飾以捕獲CO2和高溫蒸汽沖洗掉CO2用作其他用途或?qū)⑵涓綦x在地下。

在實驗中，該技術(shù)顯示出從煙道氣中去除CO2的能力是目前基于胺的技術(shù)的六倍，并且具有很高的選擇性，可以捕獲90%以上的CO2排放。該過程使用低溫蒸汽來再生MOF，以便重復(fù)使用，這意味著碳捕獲所需的能量更少。

高級研究員說：“對于CO2捕集，蒸汽汽提(您直接與蒸汽接觸以除去CO2)一直是該領(lǐng)域的圣杯。它被認(rèn)為是最便宜的方法，”加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)與化學(xué)和生物分子工程學(xué)教授，伯克利實驗室高級教職研究員Jeffrey Long。“這些材料，至少從到目前為止我們進(jìn)行的實驗來看，看起來很有希望。”

因為捕獲的大多數(shù)CO2的市場都不多，所以發(fā)電廠很可能會將大部分的CO2抽回地面或封存起來，理想情況下會轉(zhuǎn)化成巖石。凈化排放的成本將必須通過政府政策(例如碳交易或碳稅)來促進(jìn)，以激勵CO2捕集和封存，許多國家已經(jīng)在實施這一措施。

這項工作由?？松梨?ExxonMobil)資助，?？松梨谂c伯克利集團(tuán)和Long的初創(chuàng)企業(yè)Mosaic Materials Inc.合作，開發(fā)，擴(kuò)大規(guī)模并測試用于從排放物中去除CO2的工藝。

Long是描述該新技術(shù)的論文的高級作者，該新技術(shù)將于7月24日出版在“科學(xué)”(Science)雜志上。

“我們能夠進(jìn)行最初的發(fā)現(xiàn)，并通過研究和測試，得出了一種材料，該材料在實驗室實驗中顯示出不僅在天然氣電廠煙氣排放中存在的極端條件下捕獲CO2的潛力，而且還可以這樣做既不會損失選擇性，”?？松梨谘芯颗c工程公司高級研究員，項目負(fù)責(zé)人西蒙•韋斯頓(Simon Weston)說道。“我們已經(jīng)證明，這些新材料可以用低級蒸汽進(jìn)行再生，以便重復(fù)使用。 ，為大規(guī)模的碳捕集提供可行的解決方案。”

燃燒化石燃料的車輛，發(fā)電廠和工業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳估計占導(dǎo)致氣候變化的溫室氣體的65%，自19世紀(jì)以來，這已經(jīng)使地球的平均溫度升高了華氏1.8度(攝氏1度)。在不減少這些排放的情況下，氣候?qū)W家們預(yù)測溫度會越來越高，風(fēng)暴更加不穩(wěn)定和猛烈，海平面上升幾英尺，并導(dǎo)致干旱，洪水，火災(zāi)，饑荒和沖突。

朗說：“實際上，政府間氣候變化專門委員會說，在控制全球變暖方面我們需要做的事情中，CO2的捕獲是很大的一部分。”“我們不需要停止排放的大部分CO2，但我們必須這樣做。”

剝離

如今，發(fā)電廠通過將煙道氣通過水中的有機(jī)胺鼓泡來去除煙道排放中的CO2，從而結(jié)合并提取二氧化碳。然后將液體加熱到120-150 C(250-300 F)以釋放CO2氣體，然后再使用液體。整個過程消耗了大約30%的發(fā)電量。將捕獲的CO2隔離在地下的成本雖然很小，但卻只是其中的一小部分。

六年前，Long和他的小組在美國能源部資助的加州大學(xué)伯克利分校的氣體分離中心發(fā)現(xiàn)了一種化學(xué)修飾的MOF，它可以很容易地從集中發(fā)電廠的煙道氣中捕獲CO2，有可能將捕獲成本降低一半。他們將二胺分子添加到基于鎂的MOF中，以催化CO2聚合物鏈的形成，然后可通過用潮濕的二氧化碳流沖洗而將其清除。

由于MOF非常多孔，因此在這種情況下像蜂窩一樣，回形針的重量一定量的內(nèi)表面積等于足球場的內(nèi)表面積，所有這些都可以吸收氣體。

附加胺的MOF的主要優(yōu)點是可以對胺進(jìn)行調(diào)整，以捕獲不同濃度的CO2，從燃煤電廠排放的12%至15%到天然氣電廠的4%，甚至是天然氣電廠的4%?？諝庵械臐舛纫偷枚唷ong共同創(chuàng)立和指導(dǎo)的馬賽克材料的創(chuàng)建是為了使該技術(shù)廣泛用于電力和工業(yè)工廠。

但是水的180℃流和CO2所需要沖洗所捕獲的CO2最終驅(qū)動器上關(guān)閉二胺分子，縮短了材料的使用壽命。新版本使用四個胺分子-四胺-在高溫和蒸汽存在下更加穩(wěn)定。

Long說：“四胺牢固地結(jié)合在MOF中，以至于我們可以使用濃度非常高且CO2為零的水蒸氣流，如果您嘗試使用以前的吸附劑，蒸汽將開始破壞該材料。”

他們表明，與110-120 C(略高于水的沸點)的蒸汽直接接觸可以很好地沖洗掉CO2。在天然氣發(fā)電廠中很容易獲得該溫度下的蒸汽，而再生早期的改良MOF所需的180 C CO2-水混合物需要加熱，這浪費了能量。

當(dāng)Long，Weston和他們的同事第一次考慮用更堅韌的四胺代替二胺時，這似乎是遙不可及的。但是含二胺的MOF的晶體結(jié)構(gòu)表明，可能存在連接兩個二胺形成四胺的方法，同時保留了材料聚合CO2的能力。當(dāng)論文的第一作者加州大學(xué)伯克利分校的研究生Eugene Kim用化學(xué)方法制備了附有四胺的MOF時，在第一次嘗試中它的性能就超過了附有二胺的MOF。

研究人員隨后使用伯克利實驗室(Berkeley Lab)的Advanced Light Source研究了修飾的MOF的結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，排列在MOF孔中的CO2聚合物實際上是由四胺連接的，就像梯子與四胺作為梯級一樣。使用伯克利實驗室國家能源研究科學(xué)計算中心(NERSC)的Cori超級計算機(jī)進(jìn)行第一原理密度泛函理論計算，Molecular Foundry的計算資源以及校園的伯克利研究計算程序提供的資源證實了Long團(tuán)隊最初設(shè)想的出色結(jié)構(gòu)。

朗說：“我在加州從事研究已有23年了，這是你有一個瘋狂主意的時代，它立刻就起作用了。”

Long，Kim和Weston的合著者是埃克森美孚公司的Joseph Falkowski。麗貝卡·西格爾曼(Rebecca Siegelman)，亨利·江(Henry Jiang)，亞歷山大·福斯(Alexander Forse)，杰弗里·馬爹利(Jeffrey Martell)，菲利普·米爾納(Phillip Milner)，杰弗里·雷默(Jeffrey Reimer)和杰弗里·尼頓(Jeffrey Neaton)，來自加州大學(xué)伯克利分校。和伯克利實驗室的Jung-Hoon LeeNeaton和Reimer也是伯克利實驗室的資深教師。