2024年前沿周報（3）

來源:NIST

翻譯:中國測試雜志社

·為了應對全球變暖，許多公司正在全球范圍內建造直接空氣捕集（DAC）設施，以從大氣中去除碳。

·NIST已經開發了一種新的方法，用于測試這些工廠中用于捕集碳的材料。

·該機構計劃發布一種早期階段的參考材料，DAC行業可以用來測試設備。

在一種新的碳捕集測試裝置中，合成空氣通過一個柱體流動。吸附劑能夠捕獲并吸收碳分子。該設備測量吸附劑被二氧化碳飽和的速度。

來源：N. Hanacek/NIST

全球范圍內有超過100個用于從大氣中去除二氧化碳（CO?）的設備處于不同的開發階段。在美國，第一座直接空氣捕集（DAC）工廠于去年秋季在加利福尼亞北部開業。美國能源部正在為另外四個地區DAC中心提供數十億美元的啟動資金。

現在，美國國家標準與技術研究所（NIST）旨在促進這項技術迅速發展，國際能源署（IEA）將其稱為應對全球變暖的“關鍵技術”。

NIST的科學家們已經開發出了一個高精度的測試裝置，用于對DAC工廠中使用的吸附劑等材料的性能進行基準測試，以捕集和去除空氣中的碳。

該裝置將使該機構能夠為DAC行業開發研究級測試材料（RGTM）吸附劑。這些參考材料將在裝置中進行測試，并驗證其從一定量的空氣中去除CO?的能力。

兩個設計用于測試DAC工廠中用于捕集和去除空氣中碳的材料的裝置。來源：J. Manion/NIST

公司將有選擇使用RGTMs來校準他們的設備，確保他們獲得與NIST測試機構材料時相同的結果。他們也可以將這些材料作為其研究和開發過程的一部分，將其材料的碳去除性能與NIST進行比對。

“我們的測試和RGTMs將允許對新興DAC材料進行關鍵和公正的評估，并更全面地了解它們的性能，”NIST研究化學家Sean McGivern說道。“我們希望這將有助于推動DAC行業的測量和標準的發展?！?/p>

全球變暖是溫室氣體在大氣中積聚導致的結果，包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和氟化合物。這些氣體吸收紅外輻射，導致地球表面附近的溫度升高。

有一些自然方法可以從空氣中去除碳，比如種植樹木和土壤修復。但科學家們認為還需要額外的方法來對抗全球變暖。

Sean McGivern是NIST的研究化學家，他說道“我們希望這將有助于推動DAC行業的測量和標準的發展?！?/p>

通常，DAC工廠使用巨大的風扇吸入空氣，然后將其推送通過含有吸附劑的過濾器。當加熱（或通過其他方法）時，吸附劑材料會釋放或脫除碳。這些碳可以被深埋在地下，也可以被重新利用于工業用途，比如混凝土和合成燃料等。

吸附劑可以是固體或液體。NIST的測試裝置只適用于固體吸附劑，如離子交換樹脂、聚合物浸漬介孔二氧化硅（PIMS）和金屬有機框架（MOF）等。

加利福尼亞州新建的DAC工廠每年最多可以去除1,000噸的CO?，相當于從道路上大約去除了200輛汽車。但到2050年，國際能源署預測將會建造更多DAC設施，其聯合能力將每年去除近10億噸的CO?。

“我們需要將這項技術的規模擴大約六個數量級，才能達到所需的氣候影響，”NIST的碳賬戶和脫碳計劃協調員Pamela Chu說道。“為了使這項技術盡可能高效和經濟可行，需要進行更多的研究和開發?！?/p>

NIST的測試裝置于2023年首次發表在 Industrial & Engineering Chemistry Research期刊上，旨在對固體吸附劑進行全面測試。參與創建它的研究化學家Jeffrey Manion表示，該裝置提供了世界上最佳的測量結果，能夠準確地評估材料在吸附碳方面的性能。

這是測試裝置的工作原理：

合成空氣——由氮氣、氬氣、氧氣、氦氣和CO?組成——被泵入一個大約與家用打印機大小相仿的箱子中。箱子外部的閥門和控制器確保空氣的流動力與微風吹拂的力量大致相同。

在箱子內部，空氣被引入一個裝有固體吸附劑的細柱中。NIST團隊最初使用的是沸石柱子，屬于一種礦物質，在其結晶結構的孔隙中吸引并捕獲CO?。他們現在正在測試DAC工廠中更常用的額外材料。

在柱子下方放置了質譜儀，這是一種根據分子質量來識別氣態分子的儀器。它測量了有多少CO?通過吸附劑而不是被吸附。隨著時間的推移，通過吸附劑的CO?量會增加，因為吸附劑變得飽和，就像浸水的海綿一樣，無法再吸收CO?。

通過分析質譜儀收集的數據，研究人員繪制了所謂的突破曲線，它呈現了吸附劑飽和吸收CO?的速度。這提供了對吸附劑性能的精確測量。

NIST的研究人員們正在升級裝置，以滿足以在不同濕度條件下測試吸附劑，從而匹配現實條件。

對于RGTMs，首批預計明年推出，NIST的研究人員將測試DAC行業常用的吸附劑。

RGTM是一種早期階段的參考材料，可以生成更到標準參考材料（SRM），后者經過更全面的表征和測量，并附有分析證書。

NIST的研究化學家Elisabeth Mansfield表示，該機構可能最終會為DAC吸附劑開發SRM，但在目前階段，正在努力盡快為這個迅速增長和高度競爭的行業提供參考材料。

“現在有許多公司正在開發新型吸附劑，”她說?！八麄兿Ｍ跀U大規模之前了解它們在實驗室中的工作情況。這些RGTMs將讓他們測試他們的實驗室設備，并讓他們對自己的測量結果充滿信心?！?/p>

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