官方网站-首页

【导语】随着“碳达峰”和“碳中和”目标的全球推进，二氧化碳减排与吸收成为热议话题。这种看似普通的气体，因工业革命以来的过量排放，对全球气候产生了深远影响。本文由一言科普团队出品，监制单位为中国科普博览。文章将深入探讨二氧化碳为何成为温室效应的“元凶”，并介绍自然与人工的二氧化碳吸收之道，特别是近期科学家发明的“COF-999”黄色粉末这一创新技术。同时，我们也将探讨二氧化碳在生活中的不可或缺性及其在各领域的应用。面对气候变化的挑战，科技创新与社会努力缺一不可，共同为实现碳中和目标贡献力量。

出品：

作者：一言科普团队

监制：中国科普博览

随着“碳达峰”和“碳中和”目标的提出，二氧化碳的减排与吸收成为全球关注的焦点。这种无色无味的气体看似普通，却在工业革命以来因排放量激增，对全球气候变化产生了深远影响。那么，二氧化碳为何如此“不受待见”？我们又该如何应对呢？

二氧化碳排放

（图片来源：veer图库）

二氧化碳：温室效应的“元凶”

二氧化碳，是一种碳氧化合物，密度比空气大，广泛存在于大气中。其来源多样，包括化石燃料燃烧、工业生产、农业活动以及生物体呼吸等。

那么，二氧化碳为什么是温室气体？

温室气体是指大气中能够吸收地表反射的长波辐射，并且可以发射辐射的气体。地球表面在吸收太阳辐射的同时，会以长波辐射的形式向大气层或外太空释放热量，从而保证地球的温度在一定的范围。在这个过程中，大气中的温室气体会吸收地表反射的长波辐射，并且将部分热量“还给”地球。此时的地球相当于一个大型的温室，当返还给地球的热量过多时，就会导致全球气温上升，造成温室效应。

温室效应

（图片来源：veer图库）

二氧化碳分子由1个碳原子和2个氧原子组成，属于线性分子。其分子振动形式主要有对称伸缩振动、非对称伸缩振动和弯曲振动。其中，非对称伸缩振动和弯曲振动会导致二氧化碳分子的偶极矩（分子极性强弱的表示方式）发生变化，使其具(jù)有(yǒu)红(hóng)外(wài)活(huó)性(xìng)，从(cóng)而吸收红外辐射，甚至以辐射的形式将热量释放，带来温室效应。

碳汇：自然与人工的二氧化碳吸收之道

为了应对二氧化碳过量排放带来的挑战，科学家提出了“碳汇”概念。碳汇可以简单理解为通过自然或人工过程，从大气中吸收二氧化碳并将其储存的过程，主要包括自然碳汇和人工碳汇。

森林吸收二氧化碳

（图片来源：veer图库）

1.自然碳汇

森林、海洋和湿地等生态系统是重要的自然碳汇。植物通过光合作用吸收二氧化碳，并将其固定在生物体内或土壤中；海洋则通过溶解度泵（二氧化碳在海水中的高溶解度）、生物泵（浮游植物光合作用）、碳酸盐沉积和海洋环流等方式，吸收大量的二氧化碳。

2.人工碳汇

碳捕获与封存（CCS）技术是人工碳汇的代表。这类技术通过化学试剂吸收或燃烧前捕集等方法分离二氧化碳，然后经过管道或船舶运输至指定地点，进行地质封存、海洋封存或矿物化封存，实现二氧化碳的消纳。

二氧化碳地下封存

（图片来源：veer图库）

然而，不论是自然碳汇还是人工碳汇，都存在诸多不足，例如植树造林需要大量的土地资源，而碳捕获与封存技术则面临高昂的成本和技术挑战。因(yīn)此，开发更高效、经济的二氧化碳吸收技术仍然是科学家们追求的目标。

科学家研制的黄色粉末，二氧化碳的“天敌”

从空气中直接捕获二氧化碳不仅能缓解温室效应的问题，还为二氧化碳的回收利用提(tí)供(gōng)了(le)可(kě)能(néng)。尽(jǐn)管(guǎn)通(tōng)过(guò)高(gāo)科(kē)技(jì)材(cái)料(liào)将(jiāng)空(kōng)气(qì)中(zhōng)的(de)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)进(jìn)行(xíng)捕(bǔ)集的(de)技(jì)术(shù)已(yǐ)经(jīng)照(zhào)进(jìn)现(xiàn)实(shí)，然(rán)而(ér)由(yóu)于(yú)空(kōng)气(qì)成(chéng)分(fēn)复(fù)杂(zá)、环(huán)境(jìng)多(duō)变(biàn)和(hé)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)浓(nóng)度(dù)低(dī)等(děng)问(wèn)题(tí)，高(gāo)吸(xī)附(fù)量(liàng)、快(kuài)速(sù)吸(xī)附(fù)和(hé)低(dī)再(zài)生(shēng)温(wēn)度(dù)的(de)稳(wěn)定(dìng)材(cái)料(liào)还(hái)很(hěn)匮(kuì)乏(fá)。

文章(zhāng)发(fā)表(biǎo)于(yú)《Nature》杂(zá)志(zhì)

（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：《Nature》杂(zá)志(zhì)）

为(wèi)解(jiě)决(jué)这(zhè)些(xiē)问(wèn)题(tí)，近(jìn)期(qī)，科(kē)学(xué)家(jiā)发(fā)明(míng)了(le)一(yī)种(zhǒng)名为(wèi)“COF-999”的(de)黄(huáng)色(sè)粉(fěn)末(mò)，这(zhè)种(zhǒng)黄(huáng)色(sè)粉(fěn)末(mò)仅(jǐn)需(xū)一(yī)克(kè)，就(jiù)可(kě)以(yǐ)从(cóng)低(dī)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)浓(nóng)度(dù)（0.04%）的(de)空(kōng)气(qì)中(zhōng)吸(xī)收(shōu)2.05毫(háo)摩(mó)尔(ěr)（90.2毫(háo)克(kè)）二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)，并(bìng)且(qiě)60℃就(jiù)可(kě)以实现二氧化碳的解吸附和材料的再生。

黄色粉末，为何如此神奇？

COF-999是一种结晶共价有机框架材料（‌COF），由有机分子通过共价键连接而成。该材料具有高比表面积、特殊的孔结构和高稳定性等优点，被广泛应用于气体吸附和分离、异相催化、储能材料等领域。

COF-999的空间填充模型和化学结构图

（图片来源：参考文献1）

为降低空气中的水对二氧化碳吸附的影响，研究者将COF的孔道结构进行疏水处理，以降低孔道内的活性组分对水的吸附。同时，“COF-999”中的聚胺活性单元通过共价键的方式连接，其主链分子通过稳定的烯烃键连接，使得材料的结构稳定性和使用寿命均得到提升。

实验表明，1克COF-999可从低浓度（0.04%）空气中吸收90.2毫克二氧化碳，且在60℃下即可实现脱附再生。更令人惊叹(tàn)的(de)是(shì)，该(gāi)材(cái)料(liào)经(jīng)过(guò)20余(yú)天(tiān)的(de)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)连(lián)续(xù)吸(xī)附(fù)实(shí)验(yàn)，循(xún)环(huán)使(shǐ)用(yòng)100次(cì)后(hòu)，性(xìng)能(néng)依(yī)然(rán)稳(wěn)定(dìng)。

COF-999材(cái)料吸附二氧化碳效率图；b. 二氧化碳的产率与吸脱附循环次数关系图；c. 二氧化碳吸附等温线；d. COF-999材料循环100次后吸附二氧化碳图.

（图片来源：参考文献1）

生活中没有二氧化碳可以吗？

尽管过量二氧化碳会导致温室效应，但其在多个领域的作用不可替代。

在农业领域，二氧化碳是植物光合作用的重要原料。在叶绿体内，二氧化碳与水在光照条件下发生反应生成葡萄糖并释放出氧气。这一过程不仅为植物生长提供能量，也为地球生态系统提供必需的氧气和有机物质。在温室种植中，适度提高二氧化碳浓度能显著提高农作物的产量和品质，促进蔬菜鲜嫩度与果实饱满度。

在工业应用中，二氧化碳具有多重用途。作为焊接保护气，能有效隔绝空气中的氧和氮，避免高温熔融金属发生氧化或氮化反应，从而确保焊缝牢固平整。此外，作为甲醇、尿素等化学品的关键合成原料，广泛应用于燃料、肥料、塑料制品，支撑现代工业体系。

植物施肥

（图片来源：veer图库）

在食品行业，二氧化碳是碳酸饮料的灵魂，能赋予清爽气泡感和独特风味，在啤酒酿造过程中促进细腻泡沫形成，还能在一定程度上抑制微生物的生长，延长啤酒的保质期。同时，二氧化碳还可以通过调节气体环境与低温处理有效延缓食品腐败，保障运输及储存过程中的新鲜度。

在消防领域，二氧化碳的作用同样重要。通过快速稀释氧气浓度至燃烧临界点以下实现高效阻燃，尤其适用于精密仪器等特殊场景的灭火需求。

面对气候变化的严峻挑战，科技创新为我们提供了新的解决方案。“COF-999”黄色粉末的问世，展现了人类在碳捕集技术上的智慧突破——它不仅高效吸附二氧化碳，还能循环使用，为碳中和目标提供了新的可能。然而，技术并非万能，真正的改变需要全社会的共同努力。只有通过科技与社会的协同合作，才能更好地保护地球家园，实现人与自然的和谐共生。

参考文献：

1.Zhou Z , Ma T , Zhang H ,et al. Carbon dioxide capture from open air using covalent organic frameworks[J]. Nature, 2024.

2.Shi, X. et al. Sorbents for the direct capture of CO2 from ambient air[J]. Angew. Chem. Int. Ed., 2020.

3.靖宇,韦力,王运东.吸附法捕集二氧化碳吸附剂的研究进展[J]. 化工进展, 2011.

4.江涛,魏小娟,王胜平,等.固体吸附剂捕集CO2的研究进展[J]. 洁净煤技术,2022.

5.宋师忠,焦艳霞.二氧化碳用途综述与生产现状[J]. 化工科技市场, 2003.