桑迪亚国家实验室的科学家们研究粘土如何直接从空气中攫取二氧化碳。虽然，大气中的二氧化碳水平–一种善于捕获热量、导致气候变化的气体–几乎是工业革命前的两倍，但它只占我们所呼吸空气的0.0415%。这给试图设计人工树或其他直接从空气中捕捉二氧化碳的方法的研究人员带来了挑战。这一挑战是桑迪亚国家实验室领导的一个科学家团队正在试图解决的问题。
桑迪亚国家实验室的生物工程师Susan Rempe（左）和化学工程师Tuan Ho通过一种粘土的化学结构的艺术表现进行观察。他们的团队正在研究如何利用粘土来捕获二氧化碳。资料来源：克雷格-弗里茨/桑迪亚国家实验室照片
在桑迪亚化学工程师Tuan Ho的领导下，该团队一直在使用强大的计算机模型，结合实验室实验，研究一种粘土如何吸收和储存二氧化碳。
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。
该论文的主要作者Ho说：”这些基本发现有可能用于直接空气捕集；这就是我们正在努力的方向。粘土真的很便宜，而且在自然界中很丰富。如果这个高风险、高回报的项目最终产生了一项技术，这应该使我们能够大大降低直接空气碳捕获的成本。”
为什么要捕获碳？
碳捕获和封存是指从地球大气层中捕获多余的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，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燃烧化石燃料的发电厂或其他工业设施（如水泥窑），或直接从空气中捕获，这在技术上更具挑战性。碳捕集和封存被广泛认为是正在考虑用于气候干预的最没有争议的技术之一。
桑迪亚生物工程师和该项目的高级科学家Susan Rempe说：”我们想要低成本的能源，而不破坏环境。我们可以以一种不产生那么多二氧化碳的方式生活，但我们不能控制我们的邻居做什么。直接空气碳捕获对于减少空气中的二氧化碳数量和减轻我们邻居释放的二氧化碳非常重要。”
Ho想象，基于粘土的设备可以像海绵一样用来吸收二氧化碳，然后二氧化碳可以从海绵中”挤”出来并被抽到地下深处。或者粘土可以更像一个过滤器，从空气中捕捉二氧化碳进行储存。
除了便宜和广泛使用之外，粘土还很稳定，并且有很高的表面积–它由许多微小的颗粒组成，而这些颗粒又有比人类头发直径小十万倍的裂缝和缝隙。Rempe说，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的孔隙中发生变化。
这并不是Rempe第一次研究用于捕获二氧化碳的纳米结构材料。事实上，她是一个研究将二氧化碳转化为水稳定的碳酸氢盐的生物催化剂的团队的成员，该团队定制了一个极薄的纳米结构的膜来保护生物催化剂，并为他们受生物启发的碳捕捉膜获得了专利。当然，这种膜不是用廉价的粘土制成的，最初是为了在燃烧化石燃料的发电厂或其他工业设施中发挥作用，Rempe说。
“这是同一个问题的两个互补的可能解决方案，”她说。
如何模拟纳米尺度？
分子动力学是一种计算机模拟，研究原子和分子在纳米级的运动和相互作用。通过观察这些相互作用，科学家可以计算出一个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。
“分子模拟确实是研究分子尺度上的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一种粘土材料，用于碳捕捉应用。”
在这种情况下，分子动力学模拟表明，二氧化碳在潮湿的粘土纳米孔中可以比在普通水中更稳定。这是因为水里的原子不能均匀地分享它们的电子，使得一端略带正电，另一端略带负电。另一方面，二氧化碳中的原子确实均匀地分享它们的电子，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。
由Cliff Johnston教授领导的普渡大学的合作者最近用实验证实，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也发现，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较少，与普通水的相同转化相比，使反应更有利，Ho补充说，通过使这种转换变得有利并需要更少的能量，最终粘土纳米孔的油状区域使其有可能捕获更多的二氧化碳并更容易地储存它。
“到目前为止，这告诉我们粘土是一种捕捉二氧化碳并将其转化为另一种分子的好材料，”Rempe说。”而且我们了解了这是为什么，这样合成人员和工程师就可以修改材料，以增强类似油的表面化学性质。模拟也可以指导实验，以测试关于如何促进二氧化碳转化为其他有价值分子的新假设”。
该项目的下一步将是利用分子动力学模拟和实验来弄清如何将二氧化碳重新从纳米孔中取出。在三年项目结束时，他们计划构想出一个基于粘土的直接空气碳捕获装置。
