在回国任教即将迎来两周年之际，香港中文大学（深圳）理工学院李怀光教授的一作 Nature 论文终于付梓。

图 | 李怀光（来源：李怀光）此前，他在欧洲留学和工作将近 10 年之久。在德国波鸿大学获得博士学位之后，他先后在德国波鸿大学和德国慕尼黑工业大学从事博士后研究。后又加入英国剑桥大学研究二氧化碳吸附剂，正是在英国期间，他完成了本次 Nature 论文中的课题。图 | 黄衣者为李怀光（来源：李怀光）

连续测试 11 天，吸附性能始终保持在 100%研究中，他和合作者通过利用电化学技术，将分离之后的带电离子作为吸附位点，借此开发出一种新型吸附剂材料，并将其命名为带电吸附剂（Charged sorbent）。图 | 带电吸附剂的实物图（来源：李怀光）带电吸附剂的吸附热高达 137kJ mol⁻¹，对二氧化碳表现出极强的亲和力，能为在空气中直接捕获超低浓度的二氧化碳提供必要条件。在连续 11 天的测试中，带电吸附剂的吸附性能始终保持在 100%，即便经过 14 个月之后性能也仅仅下降 8%。在直接空气中捕集测试中，在不到 25 分钟的时间之内，带电吸附剂就能将空气中的二氧化碳浓度降低至大约 25ppm。同时，由于带电吸附剂具有良好的导电性，故能通过焦耳热的方式，快速地完成吸附剂的脱附过程。基于这一优势，带电吸附剂可以直接利用可再生能源，进行原位焦耳加热脱附，从而能够极大提高能源利用效率。

固态核磁测试数据表明：在极短时间之内，焦耳加热就能将材料迅速加热至 90℃，实现二氧化碳的完全脱附。相比传统方法中的吸附产物碳酸盐，带电吸附剂的脱附过程，完全绕开晶格能垒，因此能在 90℃ 到 100℃ 的相对低温之下完成脱附。此外，相比传统的加热方法，通过采取焦耳加热脱附技术，让带电吸附剂得以同时拥有高效率和低能耗的优势。带电吸附剂的制备采用了类似于电池充电的原理，在低成本的活性碳孔隙之中，带电吸附剂可以积聚大量的活性氢氧根离子，并通过形成碳酸（氢）根的方式，迅速捕获空气中的二氧化碳。同时，带电吸附剂不仅化学吸附容量较高，而且物理吸附脱附能耗较低，能够大大降低碳捕集的能耗成本。

此外，带电吸附剂的原材料来源丰富、简单易得，故能直接用于空气中的碳捕集。而凭借高度可定制的孔隙环境，预计带电吸附剂将在化学分离、催化等领域带来广阔的应用前景。李怀光表示：“在不久的将来，就有希望打造出来基于带电吸附剂的空气直接碳捕集系统。”届时，当空气进入该系统的内部之后，可以和带电吸附剂进行充分接触。从而让二氧化碳分子被吸附到带电吸附剂表面，进而在吸附活性位点发生化学反应。这时，其它剩余的气体分子，比如氮气、氧气会通过出风口回到空气之中。当带电吸附剂进入吸附饱和状态之后，吸附量就会达到峰值，这时带电吸附剂将会停止工作。此时，在加热或低压的条件之下，就能把吸附的二氧化碳脱附出来，并把高浓度二氧化碳通过加压方式进行储存。而完成脱附任务的带电吸附剂，则能被重复使用。（来源：Nature）“大胆”利用超级电容器原理，打造碳捕集新技术事实上，在本次论文发表之前，已经有不少碳捕集技术，那么它缘何依旧值得研究？近年来，全球气候变化问题日益严峻，温室气体排放被认为是主要原因之一。为了实现碳中和以及应对气候变化，各国正在大力发展清洁能源。但是，短期内化石燃料依旧难以被完全替代。因此，如何有效地降低碳排放，成为能源领域面临的重大挑战。在这种背景之下，碳捕集技术得到了广泛的关注和研究。碳捕集技术，是指从各种排放源中捕获和分离二氧化碳，并将其进行永久储存或循环利用。然而，碳捕集技术高居不下的成本，限制了这项技术的大规模利用。而如何降低碳捕集技术的能耗，是研发高性能吸附材料的关键。（来源：Nature）正是在这一背景之下，李怀光和合作者开展了本次研究。其表示：“这项工作起始于一个大胆的想法，即利用超级电容器的工作原理，来分离离子制备吸附剂。”当时，李怀光等人调研了各种碳捕集工艺，厘清这些工艺所面临的技术瓶颈和关键问题之后，确立了带电吸附剂的的路线。最先，他们尝试了两电极体系，即采用纽扣电池的结构，针对碳膜组成的超级电容器进行充电。再经过一系列后续处理，尽管也能造出带电吸附剂，但是测试结果显示碳捕集的性能并不理想。后来，他们将两电极体系变换到三电极体系，以便精确地控制充电电压。期间，李怀光和合作者先后筛选和优化了各种电解液、碳材料等关键组件，以研究它们对于二氧化碳捕集效率的影响。经过反复的试验和测试，让材料参数和技术参数终于得以确认。通过此，他们成功造出了新的带电吸附剂，并实验测试中展现出优异性能。（来源：Nature）李怀光回忆称：“开展这项研究的时候还处于欧洲新冠疫情期间，实验环境和实验时间都比较受限。”当时，剑桥大学化学系为了防止师生感染，除了佩戴口罩外，还设计了一种类似单行道的通行规则。而在制备电极材料和开展测试时，李怀光分别需要使用两个实验室。“由于单行道的规则，我必须在化学系大楼里绕上一整圈才能回到起点。最有意思的是，经常有新来的学生在楼里迷路。”他说。而且每个实验室还规定了容纳人数上限，一旦人员满额，就得等上一个人出来之后才能进去。“这让实验进度受到了很大影响，好在实验一直都很顺利，来自美国和意大利的合作者也给予了很大帮助。”李怀光表示。图 | 在剑桥大学的李怀光（来源：李怀光）最终，相关论文以《用电荷吸附剂从空气中捕获二氧化碳》（Capturing carbon dioxide from air with charged-sorbents）为题发在 Nature[1]。

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