工業排放是導致氣候變化的二氧化碳 (CO2) 的主要來源之一。雖然采用可再生和清潔能源替代品是減輕這些碳排放的一種選擇，但碳捕獲技術是控制二氧化碳排放的另一種解決方案。在二氧化碳排放大戶，如水泥、煉油廠和火電廠，碳捕獲技術可以輕松應用于以可行的成本和低能耗直接在源頭去除二氧化碳排放。人們已經探索了用于工廠二氧化碳捕獲的不同材料，包括沸石、金屬有機骨架、天然礦物、堿和堿金屬鹽。其中，堿金屬碳酸鹽，如碳酸鈉 (Na2CO3)，被認為是有效且廉價的材料，具有穩定的特性和易于采購。

理論上，Na2CO3 具有不錯的 CO2 捕獲能力，并且可以輕松再生以供后續使用。但是，直接使用 Na2CO3 捕獲 CO2 會導致晶體聚集，從而導致效率低下和壽命縮短。使用碳骨架可以消除此問題。具有良好孔隙連通性的多孔碳材料具有低密度、結構穩定性、疏水性和可穩定 Na2CO3 的大表面積。先前的研究報告稱，Na2CO3-碳納米復合材料的 CO2 捕獲能力為 5.2 mmol/g。但是，這些研究并未檢查碳化溫度對材料整體性能的影響。

因此，在 2024 年 6 月 12 日發表在《能源與燃料》上的一項新研究中，千葉大學理學院的 Hirofumi Kanoh 教授和 Bo Zhang 合成了一種混合 CO2 捕獲材料，由包裹多孔納米碳的 Na2CO3 組成。他們進一步評估了其在不同碳化溫度下的 CO2 捕獲和再生效率。Na2CO3-碳混合物 (NaCH) 是在氮氣作為保護氣體的情況下，在 873K 至 973K 的溫度下對對苯二甲酸二鈉進行碳化而得到的。“減少二氧化碳排放是一個緊迫的問題，但對二氧化碳捕獲方法和材料系統的研究仍然缺乏。這種 Na2CO3-碳混合系統在我們的初步研究中被證明是有希望的，促使我們進一步探索它，” Kanah 教授說。

研究團隊在模擬工廠廢氣條件的潮濕條件下測量了混合材料的二氧化碳捕獲能力。他們發現，在碳化溫度接近 913-943 K 時制備的 NaCH 混合物表現出更高的二氧化碳捕獲能力。其中，NaCH-923 的二氧化碳捕獲能力最高，為 6.25 mmol/g，碳含量超過 40%，這導致表面積更大，使 Na2CO3 在納米碳表面的分布更均勻。這降低了 Na2CO3 晶體團聚的速度，并加快了反應速度。

在 NaCH-923 有效捕獲 CO2 后，科學家們再次在氮氣存在下加熱所得的 NaCH-923-CO2，以測試其再生性能。他們發現 NaCH-923 可以再生并用于 CO2 捕獲 10 個周期，同時保留其初始 CO2 捕獲能力的 95% 以上。這些結果表明，NaCH-923 表現出良好的結構強度、耐用性和再生性，這使其成為在潮濕條件下捕獲 CO2 的極佳材料。

對NaCH-923-CO2進行進一步實驗，發現樣品在326−373 K(平均約80 °C)時發生急劇的質量變化。由于火力發電廠的廢氣溫度通常也在這個范圍內，因此工廠和發電廠的廢熱可以很容易地用作再生NaCH-923的熱源，從而有效降低能耗。

這些結果表明，碳化溫度顯著影響 NaCH 混合物的 CO2 捕獲性能和碳含量，其中 NaCH-923 表現出最佳特性。NaCH-923 是一種固體吸附劑，可以在環境溫度和壓力下有效捕獲 CO2，對 CO2 具有高選擇性，并且不存在目前工業中使用的液體吸附劑存在的設備腐蝕問題。此外，這些特性使其廣泛應用于各種配置、環境和各種工業環境中。

“通過將已經具有良好二氧化碳捕獲能力的 Na2CO3 轉化為納米復合材料，可以提高反應速率并降低分解和再生溫度。這使得工廠廢熱能夠在 80°C 左右進行再生，為我們提供了節能高效的二氧化碳捕獲系統，” Kanah 教授總結道。