“金发姑娘”元素——科学家在从空气中捕获碳方面取得了关键进展

一种以女神命名的化学元素在视觉上如此引人注目，显示出“金发姑娘”水平的反应性——既不过分也不太少——这使其成为碳擦洗工具的有力候选者。

该元素是钒，俄勒冈州立大学科学家的研究表明，过氧化钒分子能够与二氧化碳反应并结合二氧化碳，这是朝着改进从大气中去除二氧化碳的技术迈出的重要一步。

联邦努力和直接空中捕获发展

这项研究是2400万美元的联邦努力的一部分，旨在开发二氧化碳的直接空气捕获（DAC）新方法，二氧化碳是一种由化石燃料燃烧产生的温室气体，与气候变化有关。

过滤空气中碳的设施已经开始在全球范围内涌现，但它们仍处于起步阶段。在进入大气层的点（例如发电厂）减少二氧化碳的技术更加发达。科学家说，如果地球要避免气候变化的最坏结果，就可能需要这两种类型的碳捕获。

俄勒冈州的作用和过渡金属的意义

2021 年，俄勒冈州立大学的 Terence Bradshaw 理学院化学教授 May Nyman 被选为能源部资助的九个直接空气捕获项目之一的负责人。她的团队正在探索一些过渡金属络合物如何与空气反应以去除二氧化碳并将其转化为金属碳酸盐，类似于许多天然矿物中发现的化合物。

过渡金属位于元素周期表的中心附近，它们的名字源于电子从低能态到高能态的转变，然后再回来，从而产生独特的颜色。在这项研究中，科学家们降落在钒上，钒以瓦纳迪斯的名字命名，瓦纳迪斯是斯堪的纳维亚爱神的古老北欧名字，据说她是如此美丽，以至于她的眼泪变成了黄金。

直接空气捕获的化学过程和挑战

尼曼解释说，大气中二氧化碳的密度为百万分之400。这意味着每 100 万个空气分子中，就有 400 个是二氧化碳，即 0.04%。

“直接空气捕获的一个挑战是找到足够选择性的分子或材料，或者具有更丰富空气分子的其他反应，例如与水的反应，将胜过与CO₂的反应，”Nyman说。“我们的团队合成了一系列分子，这些分子包含三个部分，这些部分对于从大气中去除二氧化碳很重要，它们协同工作。

一部分是钒，因其可以呈现出一系列美丽的颜色而得名，另一部分是过氧化物，它与钒结合。Nyman说，由于过氧化钒分子带负电，它需要碱阳离子来平衡电荷，研究人员在这项研究中使用了钾，铷和铯碱阳离子。

她补充说，合作者还试图用元素周期表上同一街区的其他金属代替钒。

“钨、铌和钽在这种化学形式下没有那么有效，”尼曼说。“另一方面，钼的反应性很强，有时会爆炸。

此外，科学家们用铵和四甲基铵代替了碱，前者是弱酸性的。这些化合物根本没有反应，研究人员仍在试图理解这个谜题。

过氧化钒的独特性质和研究贡献

“当我们去除过氧化物时，同样没有那么多反应性，”Nyman说。“从这个意义上说，过氧化钒是一种美丽的紫色金发姑娘，当暴露在空气中并结合二氧化碳分子时会变成金色。”

她指出，钒的另一个重要特性是，它允许捕获的二氧化碳的释放温度相对较低，约为200摄氏度。

“相比之下，当它与钾、锂或钠（其他用于碳捕获的金属）结合时，温度接近 700 摄氏度，”她说。“能够重新释放捕获的_{二氧化碳可以重复}使用碳捕获材料，并且这样做所需的温度越低，所需的能量就越少，成本就越低。关于捕获碳的再利用，已经有一些非常聪明的想法正在实施中，例如，将捕获的二氧化碳_输送到温室中以种植植物。

该论文的其他俄勒冈州立大学作者包括理论/物理化学助理教授Tim Zuehlsdorff和博士后研究员Eduard Garrido。

“我也为我实验室的研究生Zhiwei 毛和Karlie Bach以及本科生Taylor Linsday的辛勤工作感到非常自豪，”Nyman说。“对于我的实验室以及Tim Zuehlsdorff来说，这是一个全新的领域，他指导博士生Jacob Hirschi进行计算研究以解释反应机制。开始一个新的研究领域涉及许多未知数。