出品：科普中國(guó)

作者：一言科普?qǐng)F(tuán)隊(duì)

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

隨著“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的提出，二氧化碳的減排與吸收成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。這種無(wú)色無(wú)味的氣體看似普通，卻在工業(yè)革命以來(lái)因排放量激增，對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。那么，二氧化碳為何如此“不受待見”？我們又該如何應(yīng)對(duì)呢？

二氧化碳排放

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

二氧化碳：溫室效應(yīng)的“元兇”

二氧化碳，是一種碳氧化合物，密度比空氣大，廣泛存在于大氣中。其來(lái)源多樣，包括化石燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)以及生物體呼吸等。

那么，二氧化碳為什么是溫室氣體？

溫室氣體是指大氣中能夠吸收地表反射的長(zhǎng)波輻射，并且可以發(fā)射輻射的氣體。地球表面在吸收太陽(yáng)輻射的同時(shí)，會(huì)以長(zhǎng)波輻射的形式向大氣層或外太空釋放熱量，從而保證地球的溫度在一定的范圍。在這個(gè)過(guò)程中，大氣中的溫室氣體會(huì)吸收地表反射的長(zhǎng)波輻射，并且將部分熱量“還給”地球。此時(shí)的地球相當(dāng)于一個(gè)大型的溫室，當(dāng)返還給地球的熱量過(guò)多時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致全球氣溫上升，造成溫室效應(yīng)。

溫室效應(yīng)

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

二氧化碳分子由1個(gè)碳原子和2個(gè)氧原子組成，屬于線性分子。其分子振動(dòng)形式主要有對(duì)稱伸縮振動(dòng)、非對(duì)稱伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)。其中，非對(duì)稱伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致二氧化碳分子的偶極矩（分子極性強(qiáng)弱的表示方式）發(fā)生變化，使其具有紅外活性，從而吸收紅外輻射，甚至以輻射的形式將熱量釋放，帶來(lái)溫室效應(yīng)。

碳匯：自然與人工的二氧化碳吸收之道

為了應(yīng)對(duì)二氧化碳過(guò)量排放帶來(lái)的挑戰(zhàn)，科學(xué)家提出了“碳匯”概念。碳匯可以簡(jiǎn)單理解為通過(guò)自然或人工過(guò)程，從大氣中吸收二氧化碳并將其儲(chǔ)存的過(guò)程，主要包括自然碳匯和人工碳匯。

森林吸收二氧化碳

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

1.自然碳匯

森林、海洋和濕地等生態(tài)系統(tǒng)是重要的自然碳匯。植物通過(guò)光合作用吸收二氧化碳，并將其固定在生物體內(nèi)或土壤中；海洋則通過(guò)溶解度泵（二氧化碳在海水中的高溶解度）、生物泵（浮游植物光合作用）、碳酸鹽沉積和海洋環(huán)流等方式，吸收大量的二氧化碳。

2.人工碳匯

碳捕獲與封存（CCS）技術(shù)是人工碳匯的代表。這類技術(shù)通過(guò)化學(xué)試劑吸收或燃燒前捕集等方法分離二氧化碳，然后經(jīng)過(guò)管道或船舶運(yùn)輸至指定地點(diǎn)，進(jìn)行地質(zhì)封存、海洋封存或礦物化封存，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的消納。

二氧化碳地下封存

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

然而，不論是自然碳匯還是人工碳匯，都存在諸多不足，例如植樹造林需要大量的土地資源，而碳捕獲與封存技術(shù)則面臨高昂的成本和技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)更高效、經(jīng)濟(jì)的二氧化碳吸收技術(shù)仍然是科學(xué)家們追求的目標(biāo)。

科學(xué)家研制的黃色粉末，二氧化碳的“天敵”

從空氣中直接捕獲二氧化碳不僅能緩解溫室效應(yīng)的問(wèn)題，還為二氧化碳的回收利用提供了可能。盡管通過(guò)高科技材料將空氣中的二氧化碳進(jìn)行捕集的技術(shù)已經(jīng)照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，然而由于空氣成分復(fù)雜、環(huán)境多變和二氧化碳濃度低等問(wèn)題，高吸附量、快速吸附和低再生溫度的穩(wěn)定材料還很匱乏。

文章發(fā)表于《Nature》雜志

（圖片來(lái)源：《Nature》雜志）

為解決這些問(wèn)題，近期，科學(xué)家發(fā)明了一種名為“COF-999”的黃色粉末，這種黃色粉末僅需一克，就可以從低二氧化碳濃度（0.04%）的空氣中吸收2.05毫摩爾（90.2毫克）二氧化碳，并且60℃就可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的解吸附和材料的再生。

黃色粉末，為何如此神奇？

COF-999是一種結(jié)晶共價(jià)有機(jī)框架材料（?COF），由有機(jī)分子通過(guò)共價(jià)鍵連接而成。該材料具有高比表面積、特殊的孔結(jié)構(gòu)和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于氣體吸附和分離、異相催化、儲(chǔ)能材料等領(lǐng)域。

COF-999的空間填充模型和化學(xué)結(jié)構(gòu)圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

為降低空氣中的水對(duì)二氧化碳吸附的影響，研究者將COF的孔道結(jié)構(gòu)進(jìn)行疏水處理，以降低孔道內(nèi)的活性組分對(duì)水的吸附。同時(shí)，“COF-999”中的聚胺活性單元通過(guò)共價(jià)鍵的方式連接，其主鏈分子通過(guò)穩(wěn)定的烯烴鍵連接，使得材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用壽命均得到提升。

實(shí)驗(yàn)表明，1克COF-999可從低濃度（0.04%）空氣中吸收90.2毫克二氧化碳，且在60℃下即可實(shí)現(xiàn)脫附再生。更令人驚嘆的是，該材料經(jīng)過(guò)20余天的二氧化碳連續(xù)吸附實(shí)驗(yàn)，循環(huán)使用100次后，性能依然穩(wěn)定。

COF-999材料吸附二氧化碳效率圖；b. 二氧化碳的產(chǎn)率與吸脫附循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖；c. 二氧化碳吸附等溫線；d. COF-999材料循環(huán)100次后吸附二氧化碳圖.

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

生活中沒有二氧化碳可以嗎？

盡管過(guò)量二氧化碳會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)，但其在多個(gè)領(lǐng)域的作用不可替代。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，二氧化碳是植物光合作用的重要原料。在葉綠體內(nèi)，二氧化碳與水在光照條件下發(fā)生反應(yīng)生成葡萄糖并釋放出氧氣。這一過(guò)程不僅為植物生長(zhǎng)提供能量，也為地球生態(tài)系統(tǒng)提供必需的氧氣和有機(jī)物質(zhì)。在溫室種植中，適度提高二氧化碳濃度能顯著提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，促進(jìn)蔬菜鮮嫩度與果實(shí)飽滿度。

在工業(yè)應(yīng)用中，二氧化碳具有多重用途。作為焊接保護(hù)氣，能有效隔絕空氣中的氧和氮，避免高溫熔融金屬發(fā)生氧化或氮化反應(yīng)，從而確保焊縫牢固平整。此外，作為甲醇、尿素等化學(xué)品的關(guān)鍵合成原料，廣泛應(yīng)用于燃料、肥料、塑料制品，支撐現(xiàn)代工業(yè)體系。

植物施肥

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

在食品行業(yè)，二氧化碳是碳酸飲料的靈魂，能賦予清爽氣泡感和獨(dú)特風(fēng)味，在啤酒釀造過(guò)程中促進(jìn)細(xì)膩泡沫形成，還能在一定程度上抑制微生物的生長(zhǎng)，延長(zhǎng)啤酒的保質(zhì)期。同時(shí)，二氧化碳還可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣體環(huán)境與低溫處理有效延緩食品腐敗，保障運(yùn)輸及儲(chǔ)存過(guò)程中的新鮮度。

在消防領(lǐng)域，二氧化碳的作用同樣重要。通過(guò)快速稀釋氧氣濃度至燃燒臨界點(diǎn)以下實(shí)現(xiàn)高效阻燃，尤其適用于精密儀器等特殊場(chǎng)景的滅火需求。

面對(duì)氣候變化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，科技創(chuàng)新為我們提供了新的解決方案。“COF-999”黃色粉末的問(wèn)世，展現(xiàn)了人類在碳捕集技術(shù)上的智慧突破——它不僅高效吸附二氧化碳，還能循環(huán)使用，為碳中和目標(biāo)提供了新的可能。然而，技術(shù)并非萬(wàn)能，真正的改變需要全社會(huì)的共同努力。只有通過(guò)科技與社會(huì)的協(xié)同合作，才能更好地保護(hù)地球家園，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧共生。

參考文獻(xiàn)：

1.Zhou Z , Ma T , Zhang H ,et al. Carbon dioxide capture from open air using covalent organic frameworks[J]. Nature, 2024.

2.Shi, X. et al. Sorbents for the direct capture of CO2 from ambient air[J]. Angew. Chem. Int. Ed., 2020.

3.靖宇,韋力,王運(yùn)東.吸附法捕集二氧化碳吸附劑的研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展, 2011.

4.江濤,魏小娟,王勝平,等.固體吸附劑捕集CO2的研究進(jìn)展[J]. 潔凈煤技術(shù),2022.

5.宋師忠,焦艷霞.二氧化碳用途綜述與生產(chǎn)現(xiàn)狀[J]. 化工科技市場(chǎng), 2003.