氣候變化是當(dāng)今全球面臨的最緊迫挑戰(zhàn)之一，而大氣中二氧化碳濃度的持續(xù)上升是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要因素。

碳捕獲、利用與封存技術(shù)是應(yīng)對化石燃料排放的重要方案之一。該技術(shù)探索通過各種方式捕獲二氧化碳，防止其進(jìn)入大氣。

碳捕獲可通過液體化學(xué)吸收、膜分離以及使用固體材料的吸附等過程實(shí)現(xiàn)。其中，吸附是指一種物質(zhì)附著在另一種物質(zhì)表面。工業(yè)界長期使用這些方法，讓特定氣體通過，同時(shí)阻擋或過濾掉其他氣體。然而，這些過程面臨能耗高、開發(fā)成本高、制備工藝復(fù)雜等挑戰(zhàn)。一種有前景的策略是使用多孔碳作為二氧化碳吸附劑。這些材料含有微小孔隙，能夠?qū)⒍趸嘉皆谄浔砻妗５@類吸附劑的開發(fā)往往涉及使用腐蝕性和有毒材料，產(chǎn)生廢水，并需要嚴(yán)格管理以防止環(huán)境污染。

為解決這一問題，印度理工學(xué)院甘地納加爾分校的研究人員提出了一種低成本、可持續(xù)且可規(guī)?；姆桨?—— 利用牛糞制備多孔碳材料。相關(guān)成果已發(fā)表于《Surfaces and Interfaces》。

印度人認(rèn)為，牛糞是一種可再生資源，在印度等畜牧業(yè)發(fā)達(dá)的國家每天都有大量產(chǎn)出。在許多農(nóng)村地區(qū)，牛糞通常被用作肥料和炊事燃料。而在這項(xiàng)研究中，牛糞成為制備用于環(huán)境修復(fù)的先進(jìn)功能材料的高價(jià)值生物質(zhì)前體。

研究人員通過工程化手段制備了氮摻雜多孔碳，這是一種能夠吸附二氧化碳的材料。制備過程將牛糞與三聚氰胺（提供氮源）以及碳酸氫鉀混合。碳酸氫鉀是一種綠色、低腐蝕性且有效的活化劑，用于制造高表面積材料。混合物在無氧條件下于爐中高溫加熱，這一過程稱為熱解，最終得到能高效捕獲二氧化碳分子的氮摻雜多孔碳。材料中摻入的氮增強(qiáng)了其對二氧化碳的吸引能力。研究人員還通過詳細(xì)的分子級模擬驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)制備的材料，這些模擬方法能夠揭示原子和分子隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探索其可能的構(gòu)型與性質(zhì)。

研究人員通過改變牛糞與三聚氰胺（提供氮源）的比例制備了不同材料。性能最優(yōu)的材料被命名為 NDPC-1，其氮含量為 2.95%，比表面積高達(dá) 1153 平方米每克。這一數(shù)據(jù)意味著，一克這種材料鋪開后足以覆蓋多個(gè)網(wǎng)球場。NDPC-1 的性能比未活化的純熱解牛糞碳高出 58%。該材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，即在 10 次吸附-脫附循環(huán)后仍能保持初始的二氧化碳捕獲能力。

研究團(tuán)隊(duì)采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法，深入揭示了材料性能的機(jī)理。通過反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬和巨正則蒙特卡洛模擬，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，闡明了控制二氧化碳吸附的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。這一框架為理解氮官能團(tuán)、孔隙結(jié)構(gòu)等特征提供了更深入的機(jī)制認(rèn)知，也為開發(fā)具有優(yōu)化織構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的高性能多孔碳鋪平了道路。

從氣候效益和實(shí)際應(yīng)用前景來看，NDPC-1 具有有效捕獲二氧化碳的潛力。這類材料若與可再生能源技術(shù)結(jié)合，將在降低工業(yè)碳足跡的同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源更好利用。該材料也契合循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念 —— 將廢棄物再利用創(chuàng)造有價(jià)值的產(chǎn)品。

值得一提的是，這種材料的單步干法合成工藝簡單，減少了化學(xué)品使用和加工成本。其在 30°C 下具有良好的吸附容量和優(yōu)異的再生穩(wěn)定性，使其成為適合大規(guī)模部署的平價(jià)選擇。相較于大多數(shù)需要在高溫（400–700°C）下選擇性吸附二氧化碳的固體吸附劑，NDPC-1 的低溫吸附能力是一大顯著升級。此外，極少的廢水產(chǎn)生和使用溫和的活化劑，使整個(gè)工藝具有環(huán)境可持續(xù)性。