通过链熔融相变捕获二氧化碳的非多孔疏水有机晶体

这对日常生活意味着什么

减少二氧化碳（CO₂）排放是减缓气候变化的关键，但现有捕集技术常常耗能大、成本高且复杂。本文介绍了一种出人意料的简单固体材料，它能在现实条件下从烟囱气流中吸收CO₂，并仅通过温和加热即可释放。作为一种近似可逆的“固体海绵”，该材料在潮湿空气中依然有效，指向更经济、实用的工业尾气净化方案。

一种新型固体CO₂海绵

研究者将注意力集中在一类源自单乙醇胺（monoethanolamine）的有机小分子上，这种化学品目前广泛用于液相CO₂洗涤剂。通过连接一条中等长度的油性侧链（十个碳原子），他们合成了称为C10-MEA的化合物，能形成柔软、针状的晶体。不同于依赖永久孔隙和大内表面积的传统捕集材料，这些晶体最初是非多孔的并且排斥水分。然而在暴露于CO₂时，它们会经历快速的固—固相变，使气体能够渗入并发生反应，从而捕获CO₂，而材料整个过程中并未转为液态。

CO₂如何改造固体

当C10-MEA晶体遇到CO₂时，化学反应放出的热量会在局部松动并“熔化”长侧链，这种现象称为链熔融。该短暂的软化使CO₂能够扩散入固体并形成一种紧密结合的结构——氨铵羧酸盐（ammonium carbamate），其中每个CO₂分子与宿主材料的两个胺基配对。借助X射线粉末衍射、电子衍射、红外与拉曼光谱以及固态核磁共振等先进技术，研究表明晶体由简单的层状堆积重组为更复杂的篮织网络。在这种新排列中，氢键密集的网络和油性侧链之间的协同作用稳定了富CO₂的固体，使其达到约2.5毫摩尔CO₂/克材料的高吸附容量。

高效捕集，温和释放

性能测试中，C10-MEA在同类稍短或稍长侧链的化合物中表现突出。它吸收CO₂速度快，即使在低气体浓度和适中温度下也能在数分钟内达到饱和。该过程表现为化学吸附——形成实际的化学键——但逆转所需的能量出人意料地小，接近仅进行物理吸附的材料。形成富CO₂晶体后，仅约30°C的适度升温就足以触发解吸。作者还惊人地指出，可以用纯CO₂作为吹脱气，在约65°C和常压下去除捕获的CO₂，从而得到适合压缩和储存的高纯度气流。

在真实条件下的稳健性

要在发电厂或工厂实用化，任何捕集介质都必须耐水、耐氧并能经受反复循环。C10-MEA晶体的疏水特性使其抗水吸收：在完全湿润的CO₂气氛下，它们仍然形成相同的CO₂加合物，而不会转变为吸水膨胀的凝胶。相比之下，在潮湿的氮气环境下，起始晶体确实会吸水并变为凝胶状，这表明CO₂的存在有效地保护了结构。热重与光谱学研究证实，加热时主要释放的是CO₂，且该材料在含空气、适中CO₂浓度和高湿度的烟气类混合物中保持稳定。在连续测试中，晶体在恒温条件下完成了数百次吸脱附循环，仅损失约1%的容量，显示出良好的耐久性。

这对碳捕集未来的意义

通过将高CO₂容量、抗水性和低能耗释放结合于一种易制备的有机固体，这项工作勾勒出捕集材料的新蓝图。与依赖永久孔隙或高能溶剂的方案不同，这些晶体利用可逆相变——链熔融与再结晶——在无CO₂和富CO₂状态之间切换。由于这些材料能通过相对温和的加热提供浓缩的CO₂流，其估算能耗低于许多现有选项。如能实现规模化，此类响应性固体有望使工业碳捕集更经济、更灵活，帮助在不需要对电力和制造工厂运行方式进行根本性改变的情况下降低大型排放源的碳足迹。

引用: Petrović, A., Lima, R.J.d.S., Hadaf, G.B. et al. Nonporous hydrophobic organic crystals for carbon dioxide capture via chain-melting phase transition. Nat Commun 17, 2293 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69006-x

关键词: 碳捕获, 固体吸附剂, 相变材料, 化学吸附, 疏水晶体