常温常压下实现二氧化碳的捕获与释放

从中国科学技术大学获悉，该校刘波教授、南方科技大学徐强教授与国际研究团队合作，开发了一种有前途的碳捕获和存储方法，首次用二氧化碳作为客体分子模拟二氧化碳水合物结构，使用廉价的硫酸胍与二氧化碳共结晶形成稳定的包合物，实现环境温度压力条件下二氧化碳可逆的捕获与释放。研究成果日前发表在《细胞报告物质科学》上。

碳捕获是碳捕集利用与封存技术的重要环节，对于实现国家“双碳”目标具有重要意义。目前二氧化碳捕获主要通过基于变压变温的物理或化学吸附过程完成。物理吸附剂采用具有高比表面积的多孔材料，二氧化碳分子通过弱相互作用进入吸附剂的孔道。虽然具有吸附热低和易于再生的优点，但烟道气和环境中的水汽与二氧化碳分子存在竞争吸附，极大降低了吸附剂的选择性、容量和循环性能。化学吸附剂如乙醇胺、有机胍等虽然具有高的选择性但吸附剂的再生过程需要消耗巨大的能量。如何降低二氧化碳捕获和释放时的能耗具有重要意义。 

在前期工作基础上，研究人员进一步将动态氢键框架结构变换应用于二氧化碳捕获。研究人员发现，在室温附近从硫酸胍水溶液中可以得到晶态二氧化碳包合物。进一步的结构分析表明，二氧化碳被包裹在胍阳离子和硫酸根之间通过氢键和静电相互作用构筑的框架中。令人惊讶的是，二氧化碳仅与框架中的胍离子存在静电作用，这也是二氧化碳与硫酸胍共结晶形成包合物结晶沉淀的驱动力。强弱适中的相互作用使得的捕获和释放均能在温和条件下进行。另外，单位体积的二氧化碳与硫酸胍共结晶形成包合物结晶含有相同温度压力条件下60倍体积的二氧化碳气体，而相同温度、体积下二氧化碳的压力达到6兆帕，揭示了其在碳捕获存储和运输方面的巨大潜力。