用于选择性二氧化碳吸附并具有负压拐点的动态胍硫酸盐

一种能从气体中“抽取”二氧化碳的智能盐

从烟囱和空气中去除二氧化碳（CO2）是减缓气候变化的关键，但大多数现有捕集方法能耗高且流程复杂。本研究介绍了一种出人意料的简单材料——看起来普通的胍硫酸盐（guanidinium sulfate），在遇到CO2时表现出非凡行为。它不仅能吸收大量气体，而且通过一种内在的“自泵”效应工作，能够在封闭空间内实际降低气体压力，这为紧凑型CO2捕集与压力控制装置开辟了新可能。

这类盐为何对净化空气重要

胍硫酸盐（GS）由廉价且丰富的原料制成，通过氢键维系结构——正是塑造水和DNA的那类温和相互作用。由于这些键具有柔性，盐的晶体结构在受热或气体压力作用下可以重排。作者发现GS至少能以三种固态形式存在，称为α、β和γ相，它们在稳定性和空隙含量上各不相同。在温和条件下，这些形态可以选择性地容纳CO2而忽略氮气，这表明这种看似平凡的盐有望与用于气体分离的先进多孔材料竞争。

材料如何通过变形捕获更多气体

在对盐在不同压力下吸附CO2量进行的精确测量中，研究团队发现GS的β相表现出一种罕见行为。起初，几乎没有CO2进入；内部微小的腔体在阈值“门”被触发前基本处于关闭状态。一旦超过该压力点，CO2开始渗入晶体内的孤立孔隙。随着压力进一步升高，吸附量稳步增加——直到达到一个临界压力，材料发生突变，转变为孔隙更大、可容纳更多CO2分子的更开放的γ相。

一个简单解释下的奇怪压力下降

在封闭的测试腔中，这种突然增加的吸附容量会引发作者称之为负压拐点的反直觉现象。与向腔内不断输入CO2时压力上升的直觉相反，压力会短暂下降。原因在于晶体内部的重构像打开了隐藏的储室：盐体如此迅速地吸收大量额外CO2，以至于自由气相中的CO2分子被消耗的速度超过了补给速度，从而暂时降低了总体压力。这与早先报道的负气体吸附（框架挤出气体导致压力升高）正好相反。在此，材料有效地“吞噬”气体并缓解压力。

窥视晶体内部的工作机制

为理解这些奇异的突变行为，研究者将X射线测量与描绘可能晶体堆积能量景观的计算模拟结合起来。他们证实α‑GS在静止时是最稳定的形式，β‑GS能量略高，而γ‑GS尽管最为开放，但除非存在CO2否则最不稳定。计算显示，随着更多CO2填充孔隙，γ‑GS在能量上变得更有利，驱动了β→γ的转变。模拟还揭示了β结构中的短暂“呼吸”运动：小通道瞬间连接本来孤立的空腔，允许CO2扩散进入并触发整体重排。

从实验室趣闻到实用的CO2海绵

这项工作超越了气-固物理学中的趣闻。加载CO2的γ相能保持约占其自重17%的气体（在近冰点温度和日常压力下约为每克4.2毫摩尔），并能在轻微加热时干净释放，避免了常规胺溶液中像煮沸水那样的高能耗。该盐在多次吸附—释放循环中保持稳定，并且在混合气体中强烈优先吸附CO2而非氮气，这是实际烟气处理的关键要求。通俗地说，这种动态盐表现得像一块自适应的海绵：会打开、重塑自身，甚至短暂降低压力以吸入CO2，为更简单、更高效的捕集、储存与运输这种致暖气体提供了有前景的途径。

引用: Zhao, L., Zhao, C., Liu, C. et al. Dynamic guanidinium sulfate salt for selective carbon dioxide adsorption with negative pressure inflexion. Nat Commun 17, 2628 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69433-w

关键词: 二氧化碳捕集, 多孔盐类, 气体吸附, 氢键框架, 相变