英媒：多孔液體助力溫室氣體回收

英國(guó)《新科學(xué)家》周刊網(wǎng)站3月6日刊登題為《像海綿一樣吸取氣體的有用液體》的文章，作者是凱瑟琳·桑德森。內(nèi)容編譯如下：

 

在世界各地的實(shí)驗(yàn)室里，化學(xué)家們正在制造各式各樣設(shè)計(jì)巧妙的液體海綿，并將它們投入測(cè)試。我們不久就會(huì)發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)古怪的技術(shù)到底有多實(shí)用。

 

液體海綿——有時(shí)稱(chēng)為多孔液體——的故事始于2007年。當(dāng)時(shí)化學(xué)家斯圖爾特·詹姆斯開(kāi)始在英國(guó)貝爾法斯特女王大學(xué)工作。他正在研究叫做“金屬-有機(jī)框架材料”（MOF）的固體。這是一種由金屬離子和碳基分子組成的籠狀化合物。它們的特殊之處在于它們非凡的孔隙度：1克MOF所含孔洞的內(nèi)表面積就像足球場(chǎng)那樣大。換句話說(shuō)，MOF是超級(jí)海綿，它的化學(xué)結(jié)構(gòu)可以調(diào)整，以吸收特定的東西。例如，它們可以用來(lái)清除環(huán)境中的毒素，或從空氣中吸收水蒸氣。

 

然而，正如詹姆斯在與同事、化學(xué)工程師戴維·魯尼交談時(shí)發(fā)現(xiàn)的那樣，MOF存在一個(gè)問(wèn)題。魯尼指出，像他這樣的工程師不喜歡與固體打交道，因?yàn)楫?dāng)涉及大規(guī)模工業(yè)化學(xué)時(shí)，它們非常難以處理。處理大量液體比處理固體容易得多，因?yàn)橐后w可以方便地用泵傳輸，也可以攪拌。

 

這促使詹姆斯思考，有沒(méi)有可能把MOF變成液體。從一開(kāi)始，他就明白這是個(gè)不同尋常的想法?？茖W(xué)家一直通過(guò)控制分子之間的相對(duì)位置來(lái)設(shè)計(jì)固體材料的結(jié)構(gòu)。但在液體中，分子會(huì)四處翻滾，所以把液體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成海綿狀聽(tīng)起來(lái)很荒謬。

 

在幾個(gè)月內(nèi)，他就發(fā)表了一個(gè)如何實(shí)現(xiàn)的概念。所有液體的分子之間都有著微小且不斷變化的間隙。這就是為什么魚(yú)可以呼吸溶解于水的氧氣的緣故：這些空隙中攜帶著氧氣。但詹姆斯的計(jì)劃是制造由分子組成的液體，而這些分子——就像MOF一樣——是空的籠子。這樣，液體會(huì)含有較多的孔洞，其吸收能力會(huì)變強(qiáng)，可以容納更多氣體。

 

詹姆斯曾認(rèn)為制造多孔液體的最簡(jiǎn)單方法是將制成粉末的MOF熔化。他稱(chēng)其為1型多孔液體，并與英國(guó)利物浦大學(xué)的安迪·庫(kù)珀合作，開(kāi)始嘗試以此法制造多孔液體。問(wèn)題是，許多MOF只在高溫下（通常超過(guò)200°C）處于液態(tài)，這使它們的應(yīng)用變得不切實(shí)際。研究人員還發(fā)現(xiàn)，籠狀分子在如此高的溫度下往往會(huì)崩解。詹姆斯說(shuō)：“這是個(gè)好主意。不幸的是，它沒(méi)有奏效。”

 

不過(guò)，他很快想出了一個(gè)變通辦法。把固體變成液體的一種方法是熔化它，但另一種方法是溶解它，就像我們把糖放入茶水里一樣。詹姆斯推斷，還可能制造另一種多孔液體，即2型液體，由溶解在溶劑中的籠狀分子構(gòu)成。

 

要明白為什么做到這一點(diǎn)決不簡(jiǎn)單，可以把籠狀分子和溶劑分子想象成甜甜圈與一綹綹彎曲的意大利面條的混合物。麻煩在于，甜甜圈中的孔——即液體海綿中的孔洞——很容易被意大利面條堵塞，從而阻止液體吸收其他任何東西。

 

為了解決這個(gè)問(wèn)題，詹姆斯和同事們放棄了金屬基的MOF，轉(zhuǎn)而使用主要由碳原子組成的大型籠狀分子，因?yàn)樘荚涌梢暂^容易地通過(guò)化學(xué)方式進(jìn)行調(diào)整。他們嘗試了大量不同的設(shè)計(jì)方案，但仍然存在溶劑進(jìn)入籠子的問(wèn)題。然后，在2015年，他們想到可以使用一種不同尋常的溶劑，這種溶劑由冠醚分子組成。這些分子的形狀不像意大利面條，而更像大餐盤(pán)。冠醚分子既能溶解這些“籠子”，又大到無(wú)法堵塞籠子內(nèi)的孔洞。這種溶解在冠醚中的籠狀分子的奇怪混合物是第一種多孔液體。

 

詹姆斯與法國(guó)里昂大學(xué)的瑪格麗達(dá)·科斯塔-戈梅斯合作，測(cè)試了這種液體吸收氣體的能力，并將其與純冠醚進(jìn)行了比較。2015年發(fā)表的研究結(jié)果令人印象深刻。

 

詹姆斯說(shuō)：“有了這些空的孔洞，甲烷（在液體中）的溶解度增加到原先的大約8倍。”

 

自從概念得到證明之后，詹姆斯和庫(kù)珀一直在制造其他多孔液體。他們一直在研究的一件事是盡可能降低液體的黏度，以使它們更容易用泵傳輸。他們還專(zhuān)門(mén)申請(qǐng)了專(zhuān)利，并成立了一家名為多孔液體技術(shù)的公司。

 

去年，該公司開(kāi)始運(yùn)行它的第一個(gè)試驗(yàn)規(guī)模的設(shè)備，以制造和測(cè)試多孔液體。第一個(gè)目標(biāo)是測(cè)試液體海綿選擇性吸收厭氧分解池釋放的二氧化碳的能力。厭氧分解池實(shí)際上是一個(gè)細(xì)菌罐，用于分解廚余垃圾等有機(jī)材料。

 

詹姆斯說(shuō)，初步測(cè)試顯示，與現(xiàn)有方法相比，液體海綿提取二氧化碳時(shí)使用的能源要少17%。他說(shuō)：“這是一個(gè)非常激動(dòng)人心的時(shí)刻。”