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隨着“碳達峯”和“碳中和”目標的提出，二氧化碳的減排與吸收成爲全球關注的焦點。這種無色無味的氣體看似普通，卻在工業革命以來因排放量激增，對全球氣候變化產生了深遠影響。那麼，二氧化碳爲何如此“不受待見”？我們又該如何應對呢？

二氧化碳排放

（圖片來源：veer圖庫）

二氧化碳，是一種碳氧化合物，密度比空氣大，廣泛存在於大氣中。其來源多樣，包括化石燃料燃燒、工業生產、農業活動以及生物體呼吸等。

那麼，二氧化碳爲什麼是溫室氣體？

溫室氣體是指大氣中能夠吸收地表反射的長波輻射，並且可以發射輻射的氣體。地球表面在吸收太陽輻射的同時，會以長波輻射的形式向大氣層或外太空釋放熱量，從而保證地球的溫度在一定的範圍。在這個過程中，大氣中的溫室氣體會吸收地表反射的長波輻射，並且將部分熱量“還給”地球。此時的地球相當於一個大型的溫室，當返還給地球的熱量過多時，就會導致全球氣溫上升，造成溫室效應。

溫室效應

（圖片來源：veer圖庫）

二氧化碳分子由1個碳原子和2個氧原子組成，屬於線性分子。其分子振動形式主要有對稱伸縮振動、非對稱伸縮振動和彎曲振動。其中，非對稱伸縮振動和彎曲振動會導致二氧化碳分子的偶極矩（分子極性強弱的表示方式）發生變化，使其具有紅外活性，從而吸收紅外輻射，甚至以輻射的形式將熱量釋放，帶來溫室效應。

爲了應對二氧化碳過量排放帶來的挑戰，科學家提出了“碳匯”概念。碳匯可以簡單理解爲通過自然或人工過程，從大氣中吸收二氧化碳並將其儲存的過程，主要包括自然碳匯和人工碳匯。

森林吸收二氧化碳

（圖片來源：veer圖庫）

1.自然碳匯

森林、海洋和溼地等生態系統是重要的自然碳匯。植物通過光合作用吸收二氧化碳，並將其固定在生物體內或土壤中；海洋則通過溶解度泵（二氧化碳在海水中的高溶解度）、生物泵（浮游植物光合作用）、碳酸鹽沉積和海洋環流等方式，吸收大量的二氧化碳。

2.人工碳匯

碳捕獲與封存（CCS）技術是人工碳匯的代表。這類技術通過化學試劑吸收或燃燒前捕集等方法分離二氧化碳，然後經過管道或船舶運輸至指定地點，進行地質封存、海洋封存或礦物化封存，實現二氧化碳的消納。

二氧化碳地下封存

（圖片來源：veer圖庫）

然而，不論是自然碳匯還是人工碳匯，都存在諸多不足，例如植樹造林需要大量的土地資源，而碳捕獲與封存技術則面臨高昂的成本和技術挑戰。因此，開發更高效、經濟的二氧化碳吸收技術仍然是科學家們追求的目標。

從空氣中直接捕獲二氧化碳不僅能緩解溫室效應的問題，還爲二氧化碳的回收利用提供了可能。儘管通過高科技材料將空氣中的二氧化碳進行捕集的技術已經照進現實，然而由於空氣成分複雜、環境多變和二氧化碳濃度低等問題，高吸附量、快速吸附和低再生溫度的穩定材料還很匱乏。

文章發表於《Nature》雜誌

（圖片來源：《Nature》雜誌）

爲解決這些問題，近期，科學家發明了一種名爲“COF-999”的黃色粉末，這種黃色粉末僅需一克，就可以從低二氧化碳濃度（0.04%）的空氣中吸收2.05毫摩爾（90.2毫克）二氧化碳，並且60℃就可以實現二氧化碳的解吸附和材料的再生。

COF-999是一種結晶共價有機框架材料（‌COF），由有機分子通過共價鍵連接而成。該材料具有高比表面積、特殊的孔結構和高穩定性等優點，被廣泛應用於氣體吸附和分離、異相催化、儲能材料等領域。

COF-999的空間填充模型和化學結構圖

（圖片來源：參考文獻1）

爲降低空氣中的水對二氧化碳吸附的影響，研究者將COF的孔道結構進行疏水處理，以降低孔道內的活性組分對水的吸附。同時，“COF-999”中的聚胺活性單元通過共價鍵的方式連接，其主鏈分子通過穩定的烯烴鍵連接，使得材料的結構穩定性和使用壽命均得到提升。

實驗表明，1克COF-999可從低濃度（0.04%）空氣中吸收90.2毫克二氧化碳，且在60℃下即可實現脫附再生。更令人驚歎的是，該材料經過20余天的二氧化碳連續吸附實驗，循環使用100次後，性能依然穩定。

（圖片來源：參考文獻1）

儘管過量二氧化碳會導致溫室效應，但其在多個領域的作用不可替代。

在農業領域，二氧化碳是植物光合作用的重要原料。在葉綠體內，二氧化碳與水在光照條件下發生反應生成葡萄糖並釋放出氧氣。這一過程不僅爲植物生長提供能量，也爲地球生態系統提供必需的氧氣和有機物質。在溫室種植中，適度提高二氧化碳濃度能顯著提高農作物的產量和品質，促進蔬菜鮮嫩度與果實飽滿度。

在工業應用中，二氧化碳具有多重用途。作爲焊接保護氣，能有效隔絕空氣中的氧和氮，避免高溫熔融金屬發生氧化或氮化反應，從而確保焊縫牢固平整。此外，作爲甲醇、尿素等化學品的關鍵合成原料，廣泛應用於燃料、肥料、塑料製品，支撐現代工業體系。

植物施肥

（圖片來源：veer圖庫）

在食品行業，二氧化碳是碳酸飲料的靈魂，能賦予清爽氣泡感和獨特風味，在啤酒釀造過程中促進細膩泡沫形成，還能在一定程度上抑制微生物的生長，延長啤酒的保質期。同時，二氧化碳還可以通過調節氣體環境與低溫處理有效延緩食品腐敗，保障運輸及儲存過程中的新鮮度。

在消防領域，二氧化碳的作用同樣重要。通過快速稀釋氧氣濃度至燃燒臨界點以下實現高效阻燃，尤其適用於精密儀器等特殊場景的滅火需求。

面對氣候變化的嚴峻挑戰，科技創新爲我們提供了新的解決方案。“COF-999”黃色粉末的問世，展現了人類在碳捕集技術上的智慧突破——它不僅高效吸附二氧化碳，還能循環使用，爲碳中和目標提供了新的可能。然而，技術並非萬能，真正的改變需要全社會的共同努力。只有通過科技與社會的協同合作，才能更好地保護地球家園，實現人與自然的和諧共生。

參考文獻：

出品：科普中國

作者：一言科普團隊

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