英媒：多孔液體助力溫室氣體回收

英國《新科學家》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：

 

在世界各地的實驗室里，化學家們正在制造各式各樣設計巧妙的液體海綿，并將它們投入測試。我們不久就會發(fā)現(xiàn)這項古怪的技術到底有多實用。

 

液體海綿——有時稱為多孔液體——的故事始于2007年。當時化學家斯圖爾特·詹姆斯開始在英國貝爾法斯特女王大學工作。他正在研究叫做“金屬-有機框架材料”（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)表面積就像足球場那樣大。換句話說，MOF是超級海綿，它的化學結構可以調(diào)整，以吸收特定的東西。例如，它們可以用來清除環(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、化學工程師戴維·魯尼交談時發(fā)現(xiàn)的那樣，MOF存在一個問題。魯尼指出，像他這樣的工程師不喜歡與固體打交道，因為當涉及大規(guī)模工業(yè)化學時，它們非常難以處理。處理大量液體比處理固體容易得多，因為液體可以方便地用泵傳輸，也可以攪拌。

 

這促使詹姆斯思考，有沒有可能把MOF變成液體。從一開始，他就明白這是個不同尋常的想法。科學家一直通過控制分子之間的相對位置來設計固體材料的結構。但在液體中，分子會四處翻滾，所以把液體的結構設計成海綿狀聽起來很荒謬。

 

在幾個月內(nèi)，他就發(fā)表了一個如何實現(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，液體會含有較多的孔洞，其吸收能力會變強，可以容納更多氣體。

 

詹姆斯曾認為制造多孔液體的最簡單方法是將制成粉末的MOF熔化。他稱其為1型多孔液體，并與英國利物浦大學的安迪·庫珀合作，開始嘗試以此法制造多孔液體。問題是，許多MOF只在高溫下（通常超過200°C）處于液態(tài)，這使它們的應用變得不切實際。研究人員還發(fā)現(xiàn)，籠狀分子在如此高的溫度下往往會崩解。詹姆斯說：“這是個好主意。不幸的是，它沒有奏效。”

 

不過，他很快想出了一個變通辦法。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成。

 

要明白為什么做到這一點決不簡單，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。

 

為了解決這個問題，詹姆斯和同事們放棄了金屬基的MOF，轉而使用主要由碳原子組成的大型籠狀分子，因為碳原子可以較容易地通過化學方式進行調(diào)整。他們嘗試了大量不同的設計方案，但仍然存在溶劑進入籠子的問題。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。冠醚分子既能溶解這些“籠子”，又大到無法堵塞籠子內(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。

 

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

 

詹姆斯說：“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。他們還專門申請了專利，并成立了一家名為多孔液體技術的公司。

 

去年，該公司開始運行它的第一個試驗規(guī)模的設備，以制造和測試多孔液體。第一個目標是測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。厭氧分解池實際上是一個細菌罐，用于分解廚余垃圾等有機材料。

 

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