在胺类基无载与吸 CO2 后的碳捕集溶液中可视化反应配合物

这项研究为何关乎我们未来的空气

减少二氧化碳（CO2）排放对应对气候变化至关重要，但许多重工业无法立即停炉或在一夜之间用可再生能源替代。对于这些行业来说，能从尾气中捕捉 CO2 并能释放以便储存或再利用的液态化学物质，是一项关键的权宜之计。本研究在原子尺度上窥视此类液体，揭示它们在捕获 CO2 之前与之后成分如何排列。隐藏的这种结构对这些液体的反应速率和效率有重要影响，并可能指引更安全、更便宜且能耗更低的碳捕集系统的设计。

用简单构件捕捉碳

研究人员集中研究两种密切相关的溶液：甘氨酸钠水溶液与甘氨酸钾水溶液。甘氨酸盐是最简单氨基酸—甘氨酸的去质子化形式，在此分别与钠或钾离子配对。这些溶液作为模型碳捕集剂，代表工业上使用的更复杂胺类混合物。当富含 CO2 的废气通过这样的溶液时，甘氨酸上的胺基会与 CO2 反应生成氨基甲酸盐（carbamate），同时水也可以将 CO2 转化为碳酸氢根。在真实系统中，这些反应是可逆的：一方面从烟气中吸收 CO2，另一方面通过加热再生溶剂并释放纯 CO2 以便储存。

用中子束看清分子邻域

尽管工程师长期测量这些溶液可容纳多少 CO2，但他们尚未能清晰观察溶液中分子如何组织。团队使用了中子衍射技术：中子束从原子核散射，揭示原子平均排列。通过在分子的不同部分用氘替换氢，并反复调整计算模型直到与散射数据相匹配，作者构建了关键基团局部环境的详细三维图像。这种称为经验势结构精修（EPSR）的方法，使他们能够计数多少水分子和金属离子位于胺基或氨基甲酸盐附近，以及这些邻近体之间的相互作用有多强。

吸 CO2 前的状态：未加载液体如何组织

在未加载状态下（甘氨酸尚未与 CO2 反应），胺基位于由水分子和带正电的金属离子组成的拥挤邻域中。分析显示，水分子在胺基周围形成一层松散的壳层，而钠或钾离子也会因电荷吸引而靠近。由于钠离子比钾更小且电荷密度更高，它更靠近胺基并形成更深的能量井。与此同时，相较于纯水，周围的水网络受到轻微扰动，氢键有所削弱，水分子的移动也变得更迟缓。偶尔有两个甘氨酸分子通过它们的胺基彼此靠近，这种罕见的配对对应一种被提出的“三级”反应途径，在该途径中两个胺共同结合一个 CO2 分子。

吸 CO2 后的状态：捕获如何重塑液体

当加入 CO2 时，部分甘氨酸上出现新的氨基甲酸盐基团，甘氨酸两性离子（同时带正负电的中性形式）也会出现。局部结构显著变化。水分子在氨基甲酸盐周围更紧密地堆积并结合得更强，因为氨基甲酸盐的两个带负电的氧原子会吸引水分子。金属离子也更靠近并与氨基甲酸盐的相互作用强于与胺基的相互作用。整体水网络变得更致密、四面体结构性降低，类似盐水或受压水中的结构。研究还揭示了氨基甲酸盐与邻近甘氨酸两性离子之间的特定吸引，尽管这些配对相对少见。通过比较每种接触发生的频率与其相互作用强度，作者得出结论：在未反应胺周围，水—胺接触占主导；而在氨基甲酸盐周围，水与金属离子对局部环境的贡献大致相当。

为何钾优于钠

这一微观视角给出了解释：为何基于钾的氨基酸溶剂通常比钠的吸收 CO2 更快——此前的测量已观察到这一点，本文也予以证实。由于钠离子更紧密地吸附并更靠近胺与氨基甲酸盐基团，它们为接近 CO2 以及在捕获与释放过程中所需的结构重排制造了更高的能量屏障。钾离子的相互作用更为松散，使反应位点更易接近，同时仍能提供必要的电荷平衡。离子大小与电荷密度这些微妙差异会通过水网络扩散，最终影响溶剂在工业吸收塔中的表现。

这对更好碳捕集液体的意义

通过将中子衍射与先进建模相结合，这项工作提供了一张异常详细的地图，展示了这一类有前途的碳捕集液体在结合 CO2 之前与之后的行为。对非专业读者而言，关键信息是：性能不仅取决于存在哪些分子，还取决于它们在液体中如何聚集与碰撞。研究表明，调整对离子（钠与钾之间）并理解水、离子与反应基团如何分配能量，可以提升吸收与释放的速度和能耗效率。相同的方法现在可以应用于更复杂的混合物和全新的溶剂家族，帮助化学家与工程师从底层设计碳捕集流体，使其更清洁、更稳健并更适合大规模部署。

引用: Laurent, H., Sault, D., Headen, T.F. et al. Visualising reaction complexes in amine-based unloaded and CO₂-loaded carbon capture solutions. Nat Commun 17, 3828 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70391-6

关键词: 碳捕集溶液, 胺类溶剂, 甘氨酸盐, 中子衍射, CO2 吸收机制