【前沿周报】对抗全球变暖！NIST开发全新碳捕获测试系统

  为了应对全球变暖，许多公司正在全世界内建造直接空气捕集（DAC）设施，以从大气中去除碳。

  在一种新的碳捕集测试装置中，合成空气通过一个柱体流动。吸附剂能够捕获并吸收碳分子。该设备测量吸附剂被二氧化碳饱和的速度。

  全球范围内有超过100个用于从大气中去除二氧化碳（CO₂）的设备处于不同的开发阶段。在美国，第一座直接空气捕集（DAC）工厂于去年秋季在加利福尼亚北部开业。美国能源部正在为另外四个地区DAC中心提供数十亿美元的启动资金。

  现在，美国国家标准与技术研究所（NIST）旨在促进这项技术快速地发展，国际能源署（IEA）将其称为应对全球变暖的“关键技术”。

  NIST的科学家们已经开发出了一个高精度的测试装置，用于对DAC工厂中使用的吸附剂等材料的性能进行基准测试，以捕集和去除空气中的碳。

  该装置将使该机构能够为DAC行业开发研究级测试材料（RGTM）吸附剂。这些参考材料将在装置中来测试，并验证其从一定量的空气中去除CO₂的能力。

  两个设计用于测试DAC工厂中用于捕集和去除空气中碳的材料的装置。来源：J. Manion/NIST

  公司将有选择使用RGTMs来校准他们的设备，确保他们获得与NIST测试机构材料时相同的结果。他们也可以将这些材料作为其研究和开发过程的一部分，将其材料的碳去除性能与NIST进行比对。

  “我们的测试和RGTMs将允许对新兴DAC材料来关键和公正的评估，并更全面地了解它们的性能，”NIST研究化学家Sean McGivern说道。“我们大家都希望这将有利于推动DAC行业的测量和标准的发展。”

  全球变暖是温室气体在大气中积聚导致的结果，包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和氟化合物。这些气体吸收红外辐射，导致地球表面附近的温度升高。

  有一些自然办法能够从空气中去除碳，比如种植树木和土壤修复。但科学家们认为还需要额外的方法来对抗全球变暖。

  Sean McGivern是NIST的研究化学家，他说道“我们大家都希望这将有利于推动DAC行业的测量和标准的发展。”

  通常，DAC工厂使用巨大的风扇吸入空气，然后将其推送通过含有吸附剂的过滤器。当加热（或通过其他方法）时，吸附剂材料会释放或脱除碳。这些碳可以被深埋在地下，也可以被重新利用于工业用途，比如混凝土和合成燃料等。

  吸附剂可以是固体或液体。NIST的测试装置只适用于固体吸附剂，如离子交换树脂、聚合物浸渍介孔二氧化硅（PIMS）和金属有机框架（MOF）等。

  加利福尼亚州新建的DAC工厂每年最多可以去除1,000吨的CO₂，相当于从道路上大约去除了200辆汽车。但到2050年，国际能源署预测将会建造更多DAC设施，其联合能力将每年去除近10亿吨的CO₂。

  “我们需要将这项技术的规模扩大约六个数量级，才可以做到所需的气候影响，”NIST的碳账户和脱碳计划协调员Pamela Chu说道。“为了使这项技术尽可能高效和经济可行，有必要进行更多的研究和开发。”

  NIST的测试装置于2023年首次发表在 Industrial & Engineering Chemistry Research期刊上，旨在对固体吸附剂做全面测试。参与创建它的研究化学家Jeffrey Manion表示，该装置提供了世界上最佳的测量结果，能够准确地评估材料在吸附碳方面的性能。

  合成空气——由氮气、氩气、氧气、氦气和CO₂组成——被泵入一个大约与家用打印机大小相仿的箱子中。箱子外部的阀门和控制器确保空气的流动力与微风吹拂的力量大致相同。

  在箱子内部，空气被引入一个装有固体吸附剂的细柱中。NIST团队最初使用的是沸石柱子，属于一种矿物质，在其结晶结构的孔隙中吸引并捕获CO₂。他们现在正在测试DAC工厂中更常用的额外材料。

  在柱子下方放置了质谱仪，这是一种根据分子质量来识别气态分子的仪器。它测量了有多少CO₂通过吸附剂而不是被吸附。跟着时间的推移，通过吸附剂的CO₂量会增加，因为吸附剂变得饱和，就像浸水的海绵一样，无法再吸收CO₂。

  通过分析质谱仪收集的数据，研究人员绘制了所谓的突破曲线，它呈现了吸附剂饱和吸收CO₂的速度。这提供了对吸附剂性能的精确测量。

  NIST的研究人员们正在升级装置，以满足以在不同湿度条件下测试吸附剂，从而匹配现实条件。

  对于RGTMs，首批预计明年推出，NIST的研究人员将测试DAC行业常用的吸附剂。

  RGTM是一种早期阶段的参考材料，可以生成更到标准参考材料（SRM），后者经过更全面的表征和测量，并附有分析证书。

  NIST的研究化学家Elisabeth Mansfield表示，该机构可能最终会为DAC吸附剂开发SRM，但在目前阶段，正在努力尽快为这个迅速增长和高度竞争的行业提供参考材料。

  “现在有许多公司正在开发新型吸附剂，”她说。“他们盼望在扩大规模之前了解它们在实验室中的工作情况。这些RGTMs将让他们测试他们的实验室设备，并让他们对自己的测量结果充满信心。”