新型微胶囊材料可有效保护自然环境

在光学显微镜下固化的硅酮微胶囊各自具有约600微米的直径。

微胶囊的液体碳捕获过程的图示表明，二氧化碳穿过高渗透性的硅壳并被内部的碳酸盐液体吸收。之后，加热聚合物微胶囊以释放吸收的二氧化碳用于进一步收集。

用于生产硅酮微胶囊的流动聚焦微流控毛细管装置。编号为1、2和3的液体分别代表碳酸盐溶液、紫外线固化硅酮和外部水溶液。

最近，由几个机构的研究人员开发的一种新型材料问世了。据介绍，这种新材料可以更安全、更便宜、更有效地处理发电厂排放的温室气体。这是碳捕获和存储领域的重大突破。

新材料研究小组由哈佛大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家领导。他们使用微流体组装技术将液体吸附剂封装在高渗透性聚合物外壳中，并制成微胶囊。与目前主流的碳捕获和存储技术相比，这种微胶囊的性能具有显著的优势。这项工作发表在最近的《自然通讯》杂志上。

该研究的共同首席作者、哈佛大学工程与应用科学学院的成员詹妮弗·A·刘易斯(Jennifer A. Lewis)表示:“微胶囊可用于控制转移和释放，并可应用于药物、食品调味品、化妆品和农业，但这是这种方法在控制碳捕获领域的首次展示。”詹尼弗·刘易斯是生物仿生工程的怀斯教授，也是哈佛大学怀斯生物仿生工程研究所的核心研究员。

发电厂是最大的单一二氧化碳来源。温室气体可以吸收热量，使地球变暖。根据美国国家环境保护局的数据，2012年，使用煤和天然气的发电厂占美国总排放量的三分之一。这就是为什么美国国家环境保护局颁布法规，要求这些化石燃料发电厂减少碳排放。为了达到新的标准，这些发电厂的操作者需要使用碳捕获技术。

目前的碳捕获技术使用腐蚀性的胺溶剂，可以从工厂烟囱的废气中分离出二氧化碳。然而，目前，这种技术的最先进的处理工艺非常昂贵，并且将导致发电厂产量的显著降低和有毒副产物的产生。这项新技术使用了一种来源丰富且对环境友好的吸附剂:碳酸钠，这是一种用于厨房的小苏打。与目前碳捕获技术中使用的吸附剂相比，微胶囊化碳吸附剂可以将二氧化碳的吸收率提高一个数量级。此外，新技术的另一个优点是胺会随着时间的推移而变化，但是碳酸盐几乎没有保质期。

“微囊化碳吸附剂提供了一种新的方式来捕获碳，同时带来较少的环境问题，”罗杰·艾恩斯说，他是劳伦斯·利弗莫尔国家实验室燃料循环创新项目的合著者和负责人。“捕捉全球碳排放是一项艰巨的任务。我们需要能够应用于各种二氧化碳来源的技术，这些技术对公众来说是安全和可持续的。”

目前，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和美国能源部国家能源技术实验室的研究人员正在改进碳捕获过程，以便这项新技术能够得到更大规模的应用。碳捕获和存储技术不仅限于发电行业。罗杰·恩尼斯说，基于微胶囊化碳吸附剂的研究也可以应用于钢铁和水泥行业，这也是温室气体的主要来源。

“这些可渗透的硅树脂液滴将是二氧化碳捕获领域的一项重大突破。爱丁堡大学碳捕获和存储领域的斯图尔特·哈斯丁教授说:“它们效率高，操作简单，浪费少，生产成本低。“耐用、安全和可靠的含溶剂胶囊已经过改进，可以广泛使用，因此碳捕获和存储技术正在降低成本。”斯图尔特没有参与新技术的研究。

微胶囊炭吸附剂的生产采用双毛细管装置，可分别控制三种液体的流速。这三种液体包括与催化剂结合的碳酸盐溶液(可促进二氧化碳吸收)；光固化有机硅可以形成微胶囊壳；和水溶液。

“包装过程可以在一个平台上结合固体捕获介质和液体捕获介质的优点，”詹妮弗·刘易斯说。“这个过程也非常灵活，壳内外的化学反应可以分别进行修改和优化。”

“这种创新的气体分离平台提供了大的表面积，同时避免了一系列问题，包括腐蚀、蒸发损失和结垢。”哥伦比亚大学地球与环境工程副教授阿亨·帕克说。然而，她没有参与这项研究。

在此之前，Jennifer Lewis还在功能材料的3D打印领域进行了突破性研究，涉及新材料，包括嵌入血管的组织结构、锂离子微电池和超轻碳纤维环氧材料。