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紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)開發(fā)的一種新型膜技術(shù)利用濕度高效捕集二氧化碳，為實現(xiàn)氣候目標(biāo)所必需的可持續(xù)直接空氣捕集提供了一種前景廣闊的解決方案。

英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)工程學(xué)院新興技術(shù)皇家工程院教席、首席研究員 Ian Metcalfe 教授指出："稀釋分離過程是最具挑戰(zhàn)性的分離過程，主要有兩個原因。首先，由于濃度低，以去除稀釋成分為目標(biāo)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)（速度）非常緩慢。其次，濃縮稀釋成分需要大量能量。"

這就是紐卡斯?fàn)柕难芯咳藛T（與新西蘭惠靈頓維多利亞大學(xué)、英國倫敦帝國理工學(xué)院、英國牛津大學(xué)、英國斯特拉思克萊德大學(xué)和英國倫敦大學(xué)學(xué)院的同事們一起）打算用他們的新膜工藝來解決的兩個難題。通過利用自然產(chǎn)生的濕度差異作為從空氣中抽取二氧化碳的動力，研究小組克服了能源挑戰(zhàn)。水的存在也加速了二氧化碳在膜中的傳輸，從而解決了動力學(xué)難題。

這項研究成果發(fā)表在《自然-能源》雜志上，英國皇家工程院院士 Greg A. Mutch 博士也參與了這項研究。Mutch 博士解釋說："直接空氣捕集將是未來能源系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。我們需要它來捕獲移動式、分布式二氧化碳排放源的排放物，這些排放物無法通過其他方式輕松實現(xiàn)脫碳。在我們的工作中，我們展示了首個能夠從空氣中捕獲二氧化碳并提高其濃度的合成膜，而無需熱量或壓力等傳統(tǒng)能源輸入。我認(rèn)為，面粉廠的水輪可能是一個有用的比喻。磨粉機利用水的下坡輸送來推動磨粉，而我們則利用水的下坡輸送來從空氣中抽取二氧化碳。"

分離過程支撐著現(xiàn)代生活的方方面面。從我們吃的食物到我們服用的藥物，再到我們汽車中的燃料或電池，我們使用的大多數(shù)產(chǎn)品都經(jīng)過了多個分離過程。此外，分離過程對于最大限度地減少廢物和環(huán)境補救（如直接在空氣中捕獲二氧化碳）的需求也非常重要。

然而，在向循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的世界里，分離過程將變得更加重要。在這種情況下，直接空氣捕集可用于提供二氧化碳，作為制造我們今天使用的許多碳?xì)浠衔锂a(chǎn)品的原料，但其循環(huán)過程是碳中和的，甚至是負(fù)碳的。

最重要的是，除了向可再生能源過渡和從發(fā)電廠等點源進(jìn)行傳統(tǒng)碳捕集之外，直接空氣捕集對于實現(xiàn)氣候目標(biāo)（如《巴黎協(xié)定》設(shè)定的 1.5 °C 目標(biāo)）也是必要的。

英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)工程學(xué)院高級講師 Evangelos Papaioannou 博士解釋說："與典型的膜操作不同，正如研究論文中所描述的那樣，研究小組測試了一種新型二氧化碳滲透膜，在膜上施加了各種濕度差異。當(dāng)膜輸出側(cè)的濕度較高時，膜會自發(fā)地將二氧化碳泵入輸出流中。"

通過與 UCL 和牛津大學(xué)的合作者共同使用 X 射線微計算機斷層掃描技術(shù)，研究小組能夠精確地確定膜結(jié)構(gòu)的特征。這使他們能夠與其他最先進(jìn)的膜進(jìn)行可靠的性能比較。

這項工作的一個關(guān)鍵方面是在分子尺度上對膜中發(fā)生的過程進(jìn)行建模。通過與惠靈頓維多利亞大學(xué)和倫敦帝國理工學(xué)院的合作者進(jìn)行密度函數(shù)理論計算，研究小組確定了膜內(nèi)的"載體"。這種載體能獨特地運輸二氧化碳和水，但不能運輸其他物質(zhì)。從膜中釋放二氧化碳需要水，釋放水也需要二氧化碳。正因為如此，濕度差產(chǎn)生的能量可以用來驅(qū)動二氧化碳通過膜從低濃度向高濃度移動。

梅特卡夫教授補充說："這是一項歷時數(shù)年的真正的團(tuán)隊工作。我們非常感謝合作者的貢獻(xiàn)以及英國皇家工程院和工程與物理科學(xué)研究理事會的支持。"