科学家研发了一种“活性炭海绵”，能“抓走”空气中的二氧化碳

气候变化对人类社会和自然环境的影响越来越显著，减少温室气体排放、缓解温室效应已成为全球共识。各国政府和科学界正在积极探索各种解决方案，而二氧化碳的捕获和封存技术是其中备受关注的重点之一。

近日，剑桥大学研究团队开发出一种新方法，利用改性活性炭来高效、低成本地从大气中捕获二氧化碳。这一突破性成果为应对日益严峻的全球变暖问题、实现碳中和目标提供了新的可能性。

全球建议二氧化碳截存（所有不同深度灰色系列）相对于已经实现（所有不同深度蓝色系列）的比较。天然气处理厂的截存达成率超过 75%，其他工业项目实成率约为 60%，发电厂的约为 10%。（图片来源：Wiki）

活性炭：家用滤水器中的“秘密武器”

活性炭，也被称为活性碳或活性炭素，是一种由碳材料制成的多孔物质。它通常由木材、煤炭、椰壳等富含碳元素的原料在高温无氧条件下炭化而成。

在炭化过程中，原料中的非碳元素被去除，同时内部形成大量微孔，使得活性炭具有极大的比表面积和优异的吸附性能。

活性炭的多孔表面（图片来源：Wiki）

活性炭最常见的应用之一就是家用滤水器。它能够有效去除水中的氯气、有机物、重金属离子等各类污染物质，提供洁净、健康的饮用水。除了净水领域，活性炭还被广泛用于空气净化、食品加工、化工生产等诸多行业。

它强大的吸附能力源于其独特的多孔结构：每克活性炭的表面积可达 500—1500 平方米，相当于两个网球场的面积。这种高度发达的孔隙结构使其能够吸附并固定大量的气体、液体或固体分子。

活性炭吸附染料示意图（右侧杯内为吸附前的状态）（图片来源：Wiki）

正是活性炭卓越的吸附性能启发了剑桥大学研究团队。他们设想，如果能够对活性炭进行改性，提高其对二氧化碳的选择性吸附能力，就可以开发出一种高效、经济的碳捕获技术。

于是，他们尝试通过类似给电池充电的方式，对活性炭施加特定的电场，使其表面富集电荷，从而增强对带电二氧化碳分子的吸引力。这就是“充电活性炭海绵”技术的核心原理。

“捕获”二氧化碳：应对气候变化的“最后手段”

为了遏制全球变暖趋势，《巴黎协定》提出了将本世纪全球平均气温升幅控制在 2°C 以内、力争限制在 1.5°C 以内的目标。这意味着人类必须在本世纪下半叶实现二氧化碳净零排放，即通过减排和碳捕获等手段，实现二氧化碳排放量和去除量的平衡。

然而，单靠减少化石燃料使用、提高能源效率等减排措施来控制二氧化碳排放还远远不够。据政府间气候变化专门委员会（IPCC）估计，为了达到 1.5°C 的控温目标，除了大幅减排外，我们还需要在 2050 年前每年从大气中移除 50 亿~110 亿吨二氧化碳。

目前，植树造林是最常用的碳移除方法，但其潜力有限，难以满足如此大规模的需求。因此，研发高效、可扩展的碳捕获和储存技术就成为当务之急。

“充电活性炭海绵”研究的负责人亚历山大·福尔斯博士坦言，从大气中捕获二氧化碳应该是应对气候变化的“最后手段”。毕竟，与从源头减排相比，这种事后补救的方式成本更高、效率更低。“但考虑到气候危机的严重性，这是我们必须探索的方向。”福尔斯博士强调：“现实地说，我们必须竭尽所能。”

事实上，碳捕获和储存（CCS）技术已经成为国际社会应对气候变化的重要选项之一。各国政府和企业正在加大对 CCS 的投资和部署力度。国际能源署预测，到 2050 年，CCS 需要贡献全球减排量的 13%左右。

然而，当前 CCS 技术大多针对电厂、钢铁厂等大型点源，而对于分散的移动源和既有大气中的二氧化碳，则缺乏经济高效的捕获手段。这正是“充电活性炭海绵”的研究动机所在。

利用地形和环境来吸收和固定火力发电厂排放的二氧化碳的方法（图片来源：Wiki）

“充电”活性炭：更简单、更高效

传统的二氧化碳捕获材料，如氨基功能化的多孔硅胶、金属有机框架等，通常需要在高达 900°C 的温度下进行再生，才能释放出吸附的二氧化碳以便储存。这不仅能耗巨大，而且可能导致材料性能的快速衰减。

相比之下，剑桥大学团队研发的“充电”活性炭海绵展现了明显的优势。研究发现，经过“充电”处理的活性炭在吸附二氧化碳后，只需加热到 90~100°C 就能有效释放出捕获的二氧化碳。这一温度远低于传统材料，可以通过工业余热或可再生能源（如太阳能、地热等）实现，因此更加环保、节能。此外，这种加热过程是从材料内部开始的，避免了表面的局部过热，进一步提高了能源利用效率。

那么，“充电”是如何增强活性炭吸附二氧化碳的能力的呢？研究人员解释道，施加电场会在活性炭表面引入额外的电荷，使其对极性的二氧化碳分子产生更强的静电引力。同时，电场还可能改变活性炭的孔道结构，为二氧化碳分子的吸附提供更多停留点。这些机制的共同作用，显著提高了充电活性炭对二氧化碳的吸附容量和选择性。

值得一提的是，“充电”过程本身并不复杂。研究团队使用了一种类似于锂离子电池的装置，以活性炭为正极，金属锂为负极，二者之间填充电解液。通过外加电压，锂离子嵌入活性炭表面，形成表面电荷。这种装置设计简单，操作方便，有望实现低成本、大规模生产。

给活性炭网络“充电”的过程示意图（图片来源：参考文献 1）

挑战与展望

尽管“充电活性炭海绵”在二氧化碳捕获方面表现出色，但要真正实现产业化应用，仍有一些挑战需要克服。首先是吸附容量的进一步提升。目前，每克充电活性炭最多可吸附 3~4 毫摩尔的二氧化碳，与理论最大值还有一定差距。研究团队正在通过优化活性炭的孔隙结构、表面化学性质等方法来提高其吸附性能。

其次是材料的长期稳定性问题。反复的吸附-再生循环可能导致活性炭孔道坍塌、表面电荷流失等性能衰减。如何确保材料在多次使用后仍能保持高效吸附，是需要攻克的难题。研究人员计划通过表面包覆、掺杂等手段来增强活性炭的结构和化学稳定性。

此外，技术的放大应用也面临诸多考验，如反应器设计、系统集成、成本控制等。将实验室的样品制备放大到工业化生产，需要在材料、工艺、装备等各个环节进行优化和创新，这需要产学研各界的通力合作和持续投入。

尽管挑战不少，但“充电活性炭海绵”技术仍然令人感到鼓舞。它为开发更高效、更环保的碳捕获材料指明了一个全新的方向。福尔斯博士表示，这种策略不仅局限于活性炭，也可以拓展到其他多孔材料体系，用于不同领域的气体分离与净化。

作为实现碳中和目标的关键路径之一，CCS 正受到各国政府、工业界、学术界的高度重视。“充电活性炭海绵”的问世，无疑为这一领域注入了新的活力。它简单、高效、经济的特点有望推动 CCS 技术的发展和普及，为人类社会应对气候变化挑战贡献一份力量。

参考文献

[1] Capturing carbon dioxide from air with charged-sorbents. Huaiguang Li, Mary E. Zick, Teedhat Trisukhon, Matteo Signorile, Xinyu Liu, Helen Eastmond, Shivani Sharma, Tristan L. Spreng, Jack Taylor, Jamie W. Gittins, Cavan Farrow, S. Alexandra Lim, Valentina Crocellà, Phillip J. Milner & Alexander C. Forse

[2] Scientists charge 'charcoal sponge' to soak up CO2. BBC News

[3] Cambridge researchers unveil ‘electric sponge’ to capture CO2. Dominic Ellis

[4] 科技日报：直接“抓走”空气中的二氧化碳，有办法吗？

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出品丨科普中国

作者丨郭菲 烟台大学

监制丨中国科普博览

责编丨何通

审校丨徐来、林林