01研究背景
到2050年，需要减少>700 GtCO2，并满足国际能源署的 2°C 情景 (IEA 2DS)，旨在减少人为CO2排放并实现净零社会。碳捕获和储存（CCS）是一项合理的气候行动，而碳捕获和利用（CCU）是一个有吸引力的途径，可以降低与减排相关的成本，并鼓励新的工业投资。例如，通过直接空气捕获（DAC）从大气中捕获CO2，包括基于氢氧化钠或氨的碱性溶液物理或化学吸收CO2。尽管简单，但其吸收能力有限，水资源密集，成功率有限。另一方面，岩石和土壤的风化与富含碳酸盐、硅酸盐和氧化镁的农田有关，代表了可持续农业战略。然而，需要大量的土地资源。替代技术，依赖于金属氧化物或活性炭的高选择性和催化活性，显示出每可用表面积的高CO2比吸收能力。通过网状化学，如使用MOF，报告的最高保留率为1.47 gCO2 g-1。尽管在天然气升级和湿烟气CO2捕获方面已经取得了一些进展，但成本高、能耗高、可扩展性差限制了MOF在工业规模上的适用性。
简单的方法，如直接二氧化碳矿化，效益高且易于规模化。此外，工业碱性和固体物流具有成本效益，并使碳经济最大化。尤其是，来自水泥和造纸工业的碱性工业物流对直接矿化捕获CO2更具有吸引力，分别转化为2100和187 Mt CO2 yr-1（全球人为CO2排放总量减少约6.8%）。这对水泥行业来说是有利可图的（仅考虑CO2矿化，每吨32欧元）。此外，考虑到水泥材料与纸浆和造纸工业纤维素纤维之间的多重协同作用，有理由期待建筑材料出现新的机会，从而实现更好的CO2减排效果。我们注意到，涉及附加化学品的途径可能会减少CO2排放，但去除潜力有限。相比之下，建筑材料既可以利用CO2，也可以去除CO2。纤维素矿化为CO2的去除和储存提供了前所未有的机会。
纤维素是一种生物聚合物，可从植物和生物质残留物中获取，已被报道用于先进材料和节能建筑。重要的是，使用矿化纤维素作为建筑基质，可能会为水泥、陶瓷材料甚至珊瑚礁石等材料增加新的功能和性能，这些都是当前研究的主题。
02研究成果
当前的碳捕获和利用（CCU）技术需要高能量输入和昂贵的催化剂。鉴于此，芬兰阿尔托大学Guillermo Reyes和 Orlando J. Rojas等人合作报道了一种工业相关的高活性碱纤维素溶液用作CO2吸收介质的直接空气捕获策略。通过可调整纤维素与矿物的比例形成矿化纤维素材料（MCM），形成有机-无机粘性体系（粘度为102～107 mPa s，储能模量为10～105 Pa）。CO2吸收和转化为碳酸钙和相关矿物，最大吸收量为6.5 gCO2 gcellulose-1，与纤维素负载量成反比。
纤维素稀凝胶很容易转化为干粉，是陶瓷釉和水泥基复合材料的一种功能成分。同时，富含纤维素的凝胶是可模塑和可挤压的，产生了可作为珊瑚礁修复人工基质的类石结构。生命周期评估（LCA）为建筑材料提供了新的CCU机会，如珊瑚礁生态系统修复的水下部署所示。
相关研究工作以“Direct CO2 capture by alkali-dissolved cellulose and sequestration in building materials and artificial reef structures”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。
03图文速递
本研究中使用CO2气体在受控气氛、碱性条件下生产MCM。溶解后，矿化过程在室温、连续搅拌下进行，直到达到CO2溶液吸收能力（饱和或恒重）。研究发现CO2吸收能力与纤维素浓度成反比，在1 wt%时达到最大值6.5 gCO2 gcellulose-1（61 mgCO2 gsolution-1）。这种稀纤维素MCM前体（MCMl）产生了一种固体粉末，可作为陶瓷釉料的助熔剂材料，改善釉料粘度并减少釉料开裂。
将同样的配方用于水泥浆中，显示出可加工性和致密的微观结构，表明在建筑材料中具有巨大的前景。通过增加纤维素负载量（7 wt%纤维素），制备了可模塑/可印刷浆料（高纤维素含量MCMh），其固化为坚韧的类石材料，在30%应变下达到31MPa的最大抗压强度。该材料被用作墨西哥湾珊瑚石的替代品，可允许植入三种健康生长至少9个月的珊瑚物种。
LCA分析表明，MCM的全球变暖潜能值（GWP）为-0.74 gCO2eq g-1。结果表明，进一步的GWP在0.9和7.2gCO2eq g-1之间，包括纤维素溶解过程（上游阶段），代表在溶解阶段产生的环境影响减少了高达62%。总之，MCM用作建筑材料为残余碱性流带来了新的机会，拓展纤维素的前景，以减少CO2排放和实现海洋珊瑚礁生态系统恢复。
图1. 低纤维素含量（MCMl）和高纤维素含量（MCMh）的矿化材料及其结构特征
图2. MCM样品的晶体结构和组成
图3. MCM在陶瓷釉和水泥浆中的应用
图4. 用于珊瑚石（CS）生产和测试的MCM应用
图5. MCM生产（S0/S7）的边界和生命周期影响评估（LCA）
04结论与展望
矿化纤维素材料（MCM）是开发具有各种机械性能和应用的结构的平台。LCA结果表明，通过MCM生产有望解决水泥行业造成的全球变暖效应。此外，低纤维素材料作为陶瓷和水泥配方的添加剂表现出合适的性能。同时，高纤维素含量允许生产可模制和可印刷的人造珊瑚石，这些人造珊瑚石在7个月内容纳了三种珊瑚。目前，正在进行的研究旨在生产陶瓷/水泥/MCM混合材料，即协同不同成分的性能，如适当控制离子（珊瑚生长过程中必不可少的），并延长材料在海洋环境中的寿命。
文献链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202209327
