提起椰子殼與大海，你想到的是什么？

是馬爾代夫海邊潮濕、自由的空氣？還是夏威夷土著熱情奔放的舞蹈？

你在夢想著度假的時候，科學家們卻用它們做出了讓全人類都能更好地度假的東西。

近日，劍橋大學的研究人員開發(fā)了一種低成本碳捕獲裝置，可以在充電時選擇性地捕獲二氧化碳氣體。隨后在放電的過程中，二氧化碳能夠被以可控的方式釋放并收集起來，從而回收利用或是以妥當的的方式處理掉。

然而，這和我們度假有什么關系呢？

當然有關系。

氣候變化、全球變暖是我們人類在21世紀面臨的最嚴峻的挑戰(zhàn)之一，可能導致各種各樣的災害性天氣、生態(tài)災難等等。每年，約有350億噸二氧化碳被排放到大氣中，加劇了地球的溫室效應。據聯合國政府間氣候變化委員會的估計，要將全球變暖控制在工業(yè)化之前水平的1.5攝氏度，防止氣溫攀升至危險范圍，我們需要在本世紀從大氣中去除1 萬億噸的二氧化碳，并在2050年全面達到碳中和目標。

碳捕獲與封存技術

顯然，光是節(jié)能減排并不夠，于是碳捕獲與封存技術(CCS)就應運而生了。CCS技術主要關注諸如發(fā)電廠、煉油廠、水泥廠等碳排放大戶，在排放的源頭將二氧化碳吸收并收集起來，阻止其進入大氣。目前發(fā)展最好的CCS是胺溶劑洗滌技術，但其過程需要消耗大量的能源，且造價高昂，其中最有代表性的挪威“登月計劃”——挪威西部霍達蘭郡Mongstad地區(qū)天然氣發(fā)電廠的大規(guī)模全面CCS項目，這是一個雄心勃勃的例子，卻最終因為成本過高等原因于2013年9月被終止。

時至今日，CCS限于成本問題面臨著市場化難的嚴峻挑戰(zhàn)，仍然停留在昂貴實驗品的范疇。而近年出現的超電容變壓吸附技術則是一種低成本、低能耗的碳捕獲技術，有望替代傳統的溶劑洗滌，并最終推動碳捕獲與封存走向市場化、規(guī)模化的實際應用。

碳捕獲與封存技術

超電容變壓吸附技術

超電容變壓吸附技術用到的超級電容器與我們熟知的可充電電池類似，有著儲電、放電的功能，兩者之間的主要區(qū)別在于它們儲存電荷的方式。電池主要利用化學反應來儲存和釋放電荷，超級電容器則不依賴化學反應，而是依賴于一正一負兩個電極之間電子的運動來儲能，因而老化相對電池更慢，使用壽命更長。

在充電的過程中，將超級電容器碳電極的一端置于排放的煙道廢氣中，另一端置于水基電解質當中，則它會選擇性地吸收氣體中的二氧化碳，并將其溶解在電解質里面，達到碳捕獲與封存的效果，這就是超電容變壓吸附技術的基本工作原理。

超電容變壓吸附技術

椰子殼、海水與交替電流？

以往的超電容變壓吸附技術限于超級電容器較小的儲量，效率比較低。近日，特雷弗·賓福德在劍橋攻讀碩士學位期間領頭的一項工作中，他的團隊嘗試通過負電壓與正電壓之間的交替以延長早先實驗中的充電時間，而事實證明，這提高了超級電容器捕獲碳的能力。

論文的作者伊斯拉爾和格蕾絲

“我們發(fā)現，通過讓電極之間的電流進行緩慢的交替，我們可以捕獲比以前多一倍的二氧化碳?！鳖I導這項研究的劍橋大學Yusuf Hamied化學系副教授弗斯博士如此說道。他還表示，這一體積只有兩便士硬幣大小的裝置在充放電過程中消耗的能量可能比當前工業(yè)中常用的胺加熱工藝更少。

當然，這一裝置只有在充電過程中才會由負極板吸收二氧化碳氣體，同時忽略不會導致氣候變化的其他成分，如氧氣、氮氣和水等等，實現既可以捕獲碳又可以儲能的功能；這一過程在放電時可逆。

“它的缺陷在于，超級電容器無法儲存電池那么多的能量，然而就碳捕獲來說，我們會優(yōu)先考慮它的耐用性，”論文合著者之一的格蕾絲如此說道，“而最棒的是，用于制造超級電容器的材料便宜且來源豐富，比如它的電極就由碳制成，而碳來自丟棄不用的椰子殼。我們希望更多地使用不會對環(huán)境造成危害的惰性材料，且要能夠支持長期使用而不需要頻繁替換（丟棄）。舉個簡單的例子，這里的二氧化碳被溶解在一種水基電解質中，而這種電解質基本上可以說就是海水。”

碳捕獲裝置基本構造

另一位論文合著者伊斯拉爾博士則為該裝置開發(fā)了一種氣體分析技術，其原理大體就是使用了一種壓力傳感器，會對這一電化學裝置中的氣體吸附變化做出響應。他表示，由于這個研究領域目前還非常新，所以我們對其內部運作的精確機制仍然缺乏了解，而這一技術得出的結果可以幫助我們更好地理解在吸收和釋放二氧化碳時，超級電容器內部究竟發(fā)生了什么。要實現這一裝置的規(guī)?；?，則對這些機制、期間可能的損耗以及設備老化過程的理解是必不可少的。該研究成果論文于5月19日發(fā)表在期刊上。

弗斯

“隔空取碳”？

除了從碳排放大戶的源頭除碳，還有一些頗具前景的碳捕獲技術也值得關注，直接空氣碳捕獲就是其中之一。

這個思路很直接，大氣中的二氧化碳太多了，那就直接把它們“抓回來”，但問題是捕集的成本太高，因而被許多科學家認為不具備可行性。這種情況一直持續(xù)到2018年夏天，哈佛大學氣候科學家大衛(wèi)·詹斯計算之后驚喜地發(fā)現，理論上可以將機器捕集二氧化碳的成本降低到每噸100美元以下，比原來的估計降低了一個數量級。

不過，當時的技術尚不成熟，盡管諸如Carbon Engineering（Keith是聯合創(chuàng)始人之一）、Climeworks等公司都在啟動他們試驗工廠的規(guī)模化嘗試，但要將成本降低到理論值仍然需要數年的時間，也沒有可行的商業(yè)模式可以支持這項成本高昂的工作。

二氧化碳捕獲基本原理

Orca

Orca

然而，人類的創(chuàng)造力是無窮的。短短幾年后的2021年9月，Climeworks就打開了位于冰島雷克雅未克郊外的Orca的開關，迄今為止最大的除碳工廠正式投入使用。

Orca的每一個模塊都通過一臺大型風扇將空氣吸過一個過濾器，在那里材料與二氧化碳分子結合。然后，由該公司的合作伙伴Carbfix將二氧化碳與水混合，并將其泵入地下，在那里與玄武巖反應，最終變成石頭。該設施完全依靠無碳電力運行，能源主要來自附近的地熱發(fā)電廠。

Orca每年可捕獲4000噸二氧化碳，這個數字確實不是很大，大致只相當于870輛汽車的年排放量。Climeworks的愿景是建立更多更大的工廠來捕獲空氣中的碳，這將有助于公司找出優(yōu)化操作的方式，推動成本下降并實現規(guī)模經濟。根據他們的預計，到本世紀30年代末，捕集每噸碳的成本將從600美元～800美元之間降低至約100美元～150美元。與此同時，前面提到的Carbon Engineering也計劃今年開始在美國西南部建設他們的工廠，每年預計可消除100萬噸二氧化碳，并與合作伙伴一道啟動位于蘇格蘭和挪威的除碳工廠工程和設計工作。

不論是“捕風捉碳”，還是椰子殼與海水，科技創(chuàng)新都帶來了新的希望，我們也要日日踐行低碳生活。