“新兵”臨危受命，找到碳捕獲利器

如果明天就要開(kāi)組會(huì )，但實(shí)驗卻毫無(wú)進(jìn)展，你會(huì )怎么做?

這種煎熬的生活，周子暉過(guò)了兩年。作為美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的博士生，他一直學(xué)著(zhù)和失敗打交道?？粗?zhù)不盡如人意的數據，以及老師下意識地搖頭，他能做的只剩一次次地嘗試和期待。

功夫不負有心人。在一次實(shí)驗中，他終于得到了理想數據，此后更是“一路綠燈”，順利發(fā)現了一種能夠從空氣中捕獲二氧化碳的新型多孔材料。

近日，以周子暉為第一作者的研究成果發(fā)表于《自然》，從投稿到被接收，僅僅用時(shí)4個(gè)月。

“抓走”二氧化碳

直接從空氣中“抓走”二氧化碳，被許多科學(xué)家視為碳中和的“最后一公里”。但從技術(shù)層面看，能不能實(shí)現、該怎樣實(shí)現，始終沒(méi)有得到答案。

周子暉告訴《中國科學(xué)報》，二氧化碳吸附有兩大方向，一是從工廠(chǎng)排放的煙氣中“捕捉”二氧化碳，從源頭避免碳排放;二是直接從空氣中“抓走”二氧化碳，通過(guò)吸附空氣中已有的二氧化碳，讓其濃度不再升高，甚至逐漸回落至原始水平。

其實(shí)，從空氣中“抓走”二氧化碳的想法并不新鮮。早在1999年，美國亞利桑那州立大學(xué)的化學(xué)工程師Klaus Lackner首次提出了該設想。此后，不少科學(xué)家圍繞二氧化碳的酸性特質(zhì)“大做文章”，試圖利用各類(lèi)堿性物質(zhì)實(shí)現酸堿反應，吸走空氣里的二氧化碳。

然而，種種嘗試都鎩羽而歸。

“一類(lèi)材料復用條件高，通常需要600℃至900℃的高溫，才能讓這類(lèi)材料‘再生’;另一類(lèi)材料穩定性差，哪怕是在無(wú)水無(wú)氧的理想條件下，10次左右就出現了明顯的性能衰退。”周子暉解釋說(shuō)。

周子暉則另辟蹊徑，在導師提出的共價(jià)有機框架結構基礎上，開(kāi)發(fā)出一種新型多孔材料。它使用穩定的共價(jià)碳-碳鍵作為材料骨架，并在孔隙內部“裝”上盡量多的氨基，讓其充分吸收二氧化碳。

不同于僅通過(guò)小分子間弱范德華力的非共價(jià)連接，該材料采用共價(jià)連接方式，通過(guò)共享電子將原子緊密連接在一起，使得骨架更加堅固、穩定。

“此外，共價(jià)有機框架是具有疏水性的有機材料，吸收二氧化碳的同時(shí)吸水量小，在二氧化碳脫附過(guò)程中耗能小，整體的再生溫度低。”周子暉說(shuō)，它在25℃的室溫條件下就能有效釋放捕獲的二氧化碳，且20天100次的循環(huán)測試顯示，材料性能無(wú)衰退跡象。

一份特別的生日禮物

2021年，從清華大學(xué)化學(xué)系畢業(yè)后，22歲的周子暉來(lái)到加利福尼亞大學(xué)伯克利分校深造。

周子暉所在的課題組從2019年就開(kāi)始了這項材料的研究。當時(shí)只有一個(gè)模糊的思路，即把盡可能多的氨基作為二氧化碳的吸附位點(diǎn)，并通過(guò)共價(jià)連接的方式建造一個(gè)穩定的骨架結構。不過(guò)，最初為了降低難度，團隊選擇先設計一個(gè)穩定性稍差、合成難度也相對較低的骨架，再通過(guò)后續優(yōu)化提升穩定性。

然而花了兩年時(shí)間，嘗試了各種各樣的材料、設計了無(wú)數連接方案，他們都沒(méi)有得到想要的結果，骨架結構的穩定性遠遠達不到要求。

很顯然，這個(gè)看似捷徑的方式把課題組引入了死胡同。沒(méi)辦法，只能“上難度”。團隊成員很快調整思路，決定直接進(jìn)攻穩定性強且難度高的骨架結構。

交給誰(shuí)來(lái)做呢?導師看了看被折磨了兩年的“老兵”們，一時(shí)間竟找不到合適的人選。正在這時(shí)，周子暉加入了課題組。

“很快，設計材料的重任就交給了我。我至少試了20種不同的骨架結構，無(wú)論怎么改進(jìn)設計方案，就是做不出多孔材料。”回想起那段晝夜不分卻“顆粒無(wú)收”的日子，周子暉依舊“很崩潰”。

課題組每?jì)芍艿闹芤慌e行組會(huì )。“周日下午，實(shí)驗室里基本坐滿(mǎn)了人，大家都在補數據。只有測出滿(mǎn)意的數據，大家才會(huì )離開(kāi)。”周子暉說(shuō)，“當時(shí)我們課題組發(fā)表過(guò)的最好的二氧化碳吸附量是0.3毫摩爾每克，但前兩年我所有的實(shí)驗數據都沒(méi)有超過(guò)0.05。趕上組會(huì )，如果實(shí)在沒(méi)數據，就只能改改上次的PPT，調調順序，重新匯報一遍。”

就這樣，被失敗反復打擊的周子暉被迫養成了好心態(tài)。當第一次看到0.4的吸附量時(shí)，他不敢相信地揉了揉眼睛。

沒(méi)看錯!周子暉情難自禁，一個(gè)箭步把導師拉了過(guò)來(lái)，告訴他這一喜訊。

命運的轉折總是悄然而至。從那以后，實(shí)驗變得非常順利，數據從0.4慢慢優(yōu)化到0.9。2023年底，周子暉測完了所有數據，開(kāi)始著(zhù)手寫(xiě)論文，并于2024年4月底將論文投出。

“導師當時(shí)說(shuō)，這么好的材料要選一個(gè)好記的數字，于是將其命名為COF-999。正好我的生日是1999年9月27日，年份有9，月份有9，27也是由3個(gè)9組成。”周子暉笑著(zhù)說(shuō)。

不光名字有紀念意義，2024年9月，他驚喜地得知，論文已被《自然》接收。

“這真是一份特別的生日禮物。”周子暉興奮地說(shuō)。

要走的路還很長(cháng)

“直到實(shí)驗結束，我都沒(méi)想過(guò)成果能在《自然》發(fā)表。”周子暉告訴《中國科學(xué)報》，2023年底，在和導師總結數據時(shí)，他們突然想到，既然測試數據這么好，不妨試試能否在室外吸收二氧化碳。

“當時(shí)導師沒(méi)抱什么希望，因為此前大家的研究都是基于實(shí)驗室展開(kāi)，很少有人在室外測試。”周子暉說(shuō)。

他買(mǎi)了一些器件進(jìn)行改造，前前后后花了快一個(gè)月時(shí)間，終于開(kāi)發(fā)出了合適的設備和程序。

“我們在校園里做了這項實(shí)驗，通過(guò)一根管子將空氣送進(jìn)儀器，發(fā)現經(jīng)過(guò)COF-999處理后，二氧化碳濃度從0.04%降到0。”周子暉驕傲地說(shuō)，如果把20天的實(shí)驗數據延展到365天，意味著(zhù)只要200克COF-999，一年就能吸收20千克二氧化碳，相當于一棵成年樹(shù)木每年吸收的二氧化碳量。

這項研究得到了審稿人的高度認可：“這項工作非常扎實(shí)，為從空氣中吸收二氧化碳提供了理論支持。”

但周子暉明白，要走的路還很長(cháng)。“要實(shí)現COF-999的大規模應用，這項研究還有很多值得深入的部分。”周子暉解釋說(shuō)，“但我相信柳暗花明，只要踏踏實(shí)實(shí)走好每一步，一定能有所收獲。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08080-x