粘土可以捕获二氧化碳吗

二氧化碳的大气水平 - 一种擅长捕获热量的气体，导致气候变化 - 几乎是工业革命前的两倍，但它仅占我们呼吸的空气的0.0415%。

这给试图设计人造树或其他直接从空气中捕获二氧化碳的方法的研究人员带来了挑战。这个挑战是桑迪亚国家实验室领导的科学家团队试图解决的挑战。

在桑迪亚化学工程师Tuan Ho的带领下，该团队一直在使用强大的计算机模型结合实验室实验来研究一种粘土如何吸收二氧化碳并将其储存起来。

科学家们在本周早些时候发表在《物理化学快报》上的一篇论文中分享了他们的初步发现。

“这些基本发现具有直接空中捕获的潜力;这就是我们正在努力的方向，“该论文的第一作者Ho说。“粘土在自然界中非常便宜且丰富。这应该使我们能够显着降低直接空气碳捕获的成本，如果这个高风险，高回报的项目最终导致一项技术。

为什么要捕获碳?

碳捕获和封存是从地球大气中捕获过量二氧化碳并将其储存在地下深处的过程，目的是减少气候变化的影响，例如更频繁的严重风暴，海平面上升以及干旱和野火增加。这种二氧化碳可以从化石燃料发电厂或其他工业设施(如水泥窑)中捕获，也可以直接从空气中捕获，这在技术上更具挑战性。碳捕获和封存被广泛认为是考虑用于气候干预的争议最少的技术之一。

“我们希望在不破坏环境的情况下获得低成本的能源，”桑迪亚生物工程师和该项目的资深科学家Susan Rempe说。“我们可以以一种不产生那么多二氧化碳的方式生活，但我们无法控制邻居的行为。直接空气碳捕获对于减少空气中的二氧化碳量和减少邻居释放的二氧化碳非常重要。

Ho设想，基于粘土的设备可以像海绵一样吸收二氧化碳，然后二氧化碳可以从海绵中“挤出”出来，泵送到地下深处。或者粘土可以更像过滤器一样使用，从空气中捕获二氧化碳进行储存。

除了便宜和广泛可用之外，粘土也很稳定并且具有高表面积 - 它由许多微观颗粒组成，这些颗粒又具有比人类头发直径小十万倍的裂缝和裂缝。这些微小的空腔被称为纳米孔，化学性质可以在这些纳米级孔内发生变化，Rempe说。

这不是Rempe第一次研究用于捕获二氧化碳的纳米结构材料。事实上，她是一个团队的一员，该团队研究了一种将二氧化碳转化为水稳定的碳酸氢盐的生物催化剂，定制了一种薄的纳米结构膜来保护生物催化剂，并获得了他们的生物启发碳捕获膜的专利。当然，这种膜不是由廉价的粘土制成的，最初设计用于化石燃料发电厂或其他工业设施，Rempe说。

“这是针对同一问题的两种互补的可能解决方案，”她说。

如何模拟纳米级?

分子动力学是一种计算机模拟，它着眼于纳米尺度上原子和分子的运动和相互作用。通过观察这些相互作用，科学家可以计算出分子在特定环境中的稳定性 - 例如在充满水的粘土纳米孔中。

“分子模拟确实是在分子尺度上研究相互作用的有力工具，”Ho说。“它使我们能够充分了解二氧化碳，水和粘土之间发生了什么，目标是利用这些信息来设计用于碳捕获应用的粘土材料。

Ho说，在这种情况下，Ho进行的分子动力学模拟表明，二氧化碳在湿粘土纳米孔中比在白开水中更稳定。这是因为水中的原子不均匀地共享它们的电子，使一端略带正电，另一端略带负电。另一方面，二氧化碳中的原子确实均匀地共享它们的电子，就像油与水混合一样，二氧化碳在类似的分子附近更稳定，例如粘土的硅氧区域，Rempe说。

Ho说，由Cliff Johnston教授领导的普渡大学的合作者最近使用实验证实，限制在粘土纳米孔中的水比普通水吸收更多的二氧化碳。

桑迪亚博士后研究员Nabankur Dasgupta还发现，在纳米孔的油状区域内，将二氧化碳转化为碳酸所需的能量更少，并且与在普通水中的相同转化相比，使反应更有利，Ho说。他补充说，通过使这种转换有利且需要更少的能量，最终粘土纳米孔的油状区域可以捕获更多的二氧化碳并更容易储存。

“到目前为止，这告诉我们粘土是捕获二氧化碳并将其转化为另一种分子的良好材料，”Rempe说。“我们理解为什么会这样，以便合成人员和工程师可以修改材料以增强它。模拟还可以指导实验以测试新的假设。

Ho说，该项目的下一步将是使用分子动力学模拟和实验来弄清楚如何将二氧化碳从纳米孔中取出。在为期三年的项目结束时，他们计划概念化一种基于粘土的直接空气碳捕获装置。

该项目由桑迪亚的实验室指导研发计划资助。这项研究部分是在综合纳米技术中心进行的，该中心是由桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室为能源部运营的科学办公室用户设施。

桑迪亚国家实验室是由霍尼韦尔国际公司全资子公司桑迪亚有限责任公司的国家技术和工程解决方案公司为能源部国家核安全管理局运营的多任务实验室。桑迪亚实验室在核威慑、全球安全、国防、能源技术和经济竞争力方面承担着重要的研发责任，主要设施位于新墨西哥州的阿尔伯克基和加利福尼亚州的利弗莫尔。