《Science》：加拿大科学家开发出寻找碳捕获材料新方法

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加拿大卡尔加里大学和渥太华大学科学家成功利用X射线晶体成像仪和计算机模拟手段，对被称为“棒球手套”的捕碳材料如何捕捉二氧化碳分子进行了观察和分析。科学家认为，该项成果为设计定制一种高效率、低能耗的捕碳新材料指明了研究方向。相关文章发表在2010年10月29日出版的《Science》（《科学》）杂志上。
 
目前采用的二氧化碳捕获方法是将二氧化碳气体注入氨溶液中。该项技术的弱点在于氨溶液吸收二氧化碳后，还需要释放二氧化碳以便进行储存，在释放二氧化碳时，溶液需要加热到100摄氏度，这要耗去大量的能源和水资源。据估算，燃煤发电厂如果使用该项技术捕获储存二氧化碳，需要消耗其四分之一的发电量。
 
因此，找到一种既可轻松捕获二氧化碳，还可在低能耗和节水条件下轻松释放出二氧化碳的新型材料，对于捕获二氧化碳技术的实际应用意义非常重大。加拿大科学家的研究发现正是为找到这种新型材料指明了方向，并提供了实验方法和计算机模拟方法。
 
参与研究工作的科学家将捕捉二氧化碳形象地比作棒球手套与棒球之间的关系，在此将球比作二氧化碳，而将手套比作可捕获二氧化碳的材料。对于不同大小的球，需要不同尺寸的手套，才能更好地匹配，以便球手能够更加容易接到来球。卡尔加里大学化学教授乔治·斯密祖介绍说，他们使用X射线结晶成像仪直接实验成像，并通过计算机模型计算，确定了二氧化碳分子的确切位置，并可以清晰观察到“手套”材料的各个“手指”如何合力将二氧化碳分子固定在其位置上。
 
渥太华大学负责计算机模拟研究的科学家表示，该项发现的另一个特别之处在于，实验结果和计算机模拟结果之间表现出非常好的一致性。因此，其计算机模拟方法现在就可以更令人放心地应用于发现和预知材料的捕碳性能，特别是在实验室制作某种捕碳材料之前，可先在计算机上进行模拟。
 
研究人员认为，该项研究成果最终可得到多方面的应用，既可帮助燃煤发电厂降低二氧化碳排放，还可帮助去除非常规天然气资源中的二氧化碳成分。

Journal Reference:

Ramanathan Vaidhyanathan, Simon S. Iremonger, George K. H. Shimizu, Peter G. Boyd, Saman Alavi, Tom K. Woo. Direct observation and quantification of CO2 binding within an amine-functionalized nanoporous solid. Science, 29 October 2010: Vol. 330. no. 6004, pp. 650 - 653 DOI: 10.1126/science.1194237

Abstract

Understanding the molecular details of CO₂-sorbent interactions is critical for the design of better carbon-capture systems. Here we report crystallographic resolution of CO₂ molecules and their binding domains in a metal-organic framework functionalized with amine groups. Accompanying computational studies that modeled the gas sorption isotherms, high heat of adsorption, and CO₂ lattice positions showed high agreement on all three fronts. The modeling apportioned specific binding interactions for each CO₂ molecule, including substantial cooperative binding effects among the guest molecules. The validation of the capacity of such simulations to accurately model molecular-scale binding bodes well for the theory-aided development of amine-based CO₂ sorbents. The analysis shows that the combination of appropriate pore size, strongly interacting amine functional groups, and the cooperative binding of CO₂ guest molecules is responsible for the low-pressure binding and large uptake of CO₂ in this sorbent material.

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