01研究背景
到2050年，需要減少>700 GtCO2，並滿足國際能源署的 2°C 情景 (IEA 2DS)，旨在減少人為CO2排放並實現凈零社會。碳捕獲和儲存（CCS）是一項合理的氣候行動，而碳捕獲和利用（CCU）是一個有吸引力的途徑，可以降低與減排相關的成本，並鼓勵新的工業投資。例如，通過直接空氣捕獲（DAC）從大氣中捕獲CO2，包括基於氫氧化鈉或氨的鹼性溶液物理或化學吸收CO2。儘管簡單，但其吸收能力有限，水資源密集，成功率有限。另一方面，岩石和土壤的風化與富含碳酸鹽、硅酸鹽和氧化鎂的農田有關，代表了可持續農業戰略。然而，需要大量的土地資源。替代技術，依賴於金屬氧化物或活性炭的高選擇性和催化活性，顯示出每可用表面積的高CO2比吸收能力。通過網狀化學，如使用MOF，報告的最高保留率為1.47 gCO2 g-1。儘管在天然氣升級和濕煙氣CO2捕獲方面已經取得了一些進展，但成本高、能耗高、可擴展性差限制了MOF在工業規模上的適用性。
簡單的方法，如直接二氧化碳礦化，效益高且易於規模化。此外，工業鹼性和固體物流具有成本效益，並使碳經濟最大化。尤其是，來自水泥和造紙工業的鹼性工業物流對直接礦化捕獲CO2更具有吸引力，分別轉化為2100和187 Mt CO2 yr-1（全球人為CO2排放總量減少約6.8%）。這對水泥行業來說是有利可圖的（僅考慮CO2礦化，每噸32歐元）。此外，考慮到水泥材料與紙漿和造紙工業纖維素纖維之間的多重協同作用，有理由期待建築材料出現新的機會，從而實現更好的CO2減排效果。我們注意到，涉及附加化學品的途徑可能會減少CO2排放，但去除潛力有限。相比之下，建築材料既可以利用CO2，也可以去除CO2。纖維素礦化為CO2的去除和儲存提供了前所未有的機會。
纖維素是一種生物聚合物，可從植物和生物質殘留物中獲取，已被報道用於先進材料和節能建築。重要的是，使用礦化纖維素作為建築基質，可能會為水泥、陶瓷材料甚至珊瑚礁石等材料增加新的功能和性能，這些都是當前研究的主題。
02研究成果
當前的碳捕獲和利用（CCU）技術需要高能量輸入和昂貴的催化劑。鑒於此，芬蘭阿爾託大學Guillermo Reyes和 Orlando J. Rojas等人合作報道了一種工業相關的高活性鹼纖維素溶液用作CO2吸收介質的直接空氣捕獲策略。通過可調整纖維素與礦物的比例形成礦化纖維素材料（MCM），形成有機-無機粘性體系（粘度為102～107 mPa s，儲能模量為10～105 Pa）。CO2吸收和轉化為碳酸鈣和相關礦物，最大吸收量為6.5 gCO2 gcellulose-1，與纖維素負載量成反比。
纖維素稀凝膠很容易轉化為乾粉，是陶瓷釉和水泥基複合材料的一種功能成分。同時，富含纖維素的凝膠是可模塑和可擠壓的，產生了可作為珊瑚礁修復人工基質的類石結構。生命周期評估（LCA）為建築材料提供了新的CCU機會，如珊瑚礁生態系統修復的水下部署所示。
相關研究工作以「Direct CO2 capture by alkali-dissolved cellulose and sequestration in building materials and artificial reef structures」為題發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。
03圖文速遞
本研究中使用CO2氣體在受控氣氛、鹼性條件下生產MCM。溶解後，礦化過程在室溫、連續攪拌下進行，直到達到CO2溶液吸收能力（飽和或恆重）。研究發現CO2吸收能力與纖維素濃度成反比，在1 wt%時達到最大值6.5 gCO2 gcellulose-1（61 mgCO2 gsolution-1）。這種稀纖維素MCM前體（MCMl）產生了一種固體粉末，可作為陶瓷釉料的助熔劑材料，改善釉料粘度並減少釉料開裂。
將同樣的配方用於水泥漿中，顯示出可加工性和緻密的微觀結構，表明在建築材料中具有巨大的前景。通過增加纖維素負載量（7 wt%纖維素），製備了可模塑/可印刷漿料（高纖維素含量MCMh），其固化為堅韌的類石材料，在30%應變下達到31MPa的最大抗壓強度。該材料被用作墨西哥灣珊瑚石的替代品，可允許植入三種健康生長至少9個月的珊瑚物種。
LCA分析表明，MCM的全球變暖潛能值（GWP）為-0.74 gCO2eq g-1。結果表明，進一步的GWP在0.9和7.2gCO2eq g-1之間，包括纖維素溶解過程（上游階段），代表在溶解階段產生的環境影響減少了高達62%。總之，MCM用作建築材料為殘餘鹼性流帶來了新的機會，拓展纖維素的前景，以減少CO2排放和實現海洋珊瑚礁生態系統恢復。
圖1. 低纖維素含量（MCMl）和高纖維素含量（MCMh）的礦化材料及其結構特徵
圖2. MCM樣品的晶體結構和組成
圖3. MCM在陶瓷釉和水泥漿中的應用
圖4. 用於珊瑚石（CS）生產和測試的MCM應用
圖5. MCM生產（S0/S7）的邊界和生命周期影響評估（LCA）
04結論與展望
礦化纖維素材料（MCM）是開發具有各種機械性能和應用的結構的平台。LCA結果表明，通過MCM生產有望解決水泥行業造成的全球變暖效應。此外，低纖維素材料作為陶瓷和水泥配方的添加劑表現出合適的性能。同時，高纖維素含量允許生產可模製和可印刷的人造珊瑚石，這些人造珊瑚石在7個月內容納了三種珊瑚。目前，正在進行的研究旨在生產陶瓷/水泥/MCM混合材料，即協同不同成分的性能，如適當控制離子（珊瑚生長過程中必不可少的），並延長材料在海洋環境中的壽命。
文獻鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202209327
