英媒：多孔液体助力温室气体回收

英国《新科学家》周刊网站3月6日刊登题为《像海绵一样吸取气体的有用液体》的文章，作者是凯瑟琳·桑德森。内容编译如下：

 

在世界各地的实验室里，化学家们正在制造各式各样设计巧妙的液体海绵，并将它们投入测试。我们不久就会发现这项古怪的技术到底有多实用。

 

液体海绵——有时称为多孔液体——的故事始于2007年。当时化学家斯图尔特·詹姆斯开始在英国贝尔法斯特女王大学工作。他正在研究叫做“金属-有机框架材料”（MOF）的固体。这是一种由金属离子和碳基分子组成的笼状化合物。它们的特殊之处在于它们非凡的孔隙度：1克MOF所含孔洞的内表面积就像足球场那样大。换句话说，MOF是超级海绵，它的化学结构可以调整，以吸收特定的东西。例如，它们可以用来清除环境中的毒素，或从空气中吸收水蒸气。

 

然而，正如詹姆斯在与同事、化学工程师戴维·鲁尼交谈时发现的那样，MOF存在一个问题。鲁尼指出，像他这样的工程师不喜欢与固体打交道，因为当涉及大规模工业化学时，它们非常难以处理。处理大量液体比处理固体容易得多，因为液体可以方便地用泵传输，也可以搅拌。

 

这促使詹姆斯思考，有没有可能把MOF变成液体。从一开始，他就明白这是个不同寻常的想法。科学家一直通过控制分子之间的相对位置来设计固体材料的结构。但在液体中，分子会四处翻滚，所以把液体的结构设计成海绵状听起来很荒谬。

 

在几个月内，他就发表了一个如何实现的概念。所有液体的分子之间都有着微小且不断变化的间隙。这就是为什么鱼可以呼吸溶解于水的氧气的缘故：这些空隙中携带着氧气。但詹姆斯的计划是制造由分子组成的液体，而这些分子——就像MOF一样——是空的笼子。这样，液体会含有较多的孔洞，其吸收能力会变强，可以容纳更多气体。

 

詹姆斯曾认为制造多孔液体的最简单方法是将制成粉末的MOF熔化。他称其为1型多孔液体，并与英国利物浦大学的安迪·库珀合作，开始尝试以此法制造多孔液体。问题是，许多MOF只在高温下（通常超过200°C）处于液态，这使它们的应用变得不切实际。研究人员还发现，笼状分子在如此高的温度下往往会崩解。詹姆斯说：“这是个好主意。不幸的是，它没有奏效。”

 

不过，他很快想出了一个变通办法。把固体变成液体的一种方法是熔化它，但另一种方法是溶解它，就像我们把糖放入茶水里一样。詹姆斯推断，还可能制造另一种多孔液体，即2型液体，由溶解在溶剂中的笼状分子构成。

 

要明白为什么做到这一点决不简单，可以把笼状分子和溶剂分子想象成甜甜圈与一绺绺弯曲的意大利面条的混合物。麻烦在于，甜甜圈中的孔——即液体海绵中的孔洞——很容易被意大利面条堵塞，从而阻止液体吸收其他任何东西。

 

为了解决这个问题，詹姆斯和同事们放弃了金属基的MOF，转而使用主要由碳原子组成的大型笼状分子，因为碳原子可以较容易地通过化学方式进行调整。他们尝试了大量不同的设计方案，但仍然存在溶剂进入笼子的问题。然后，在2015年，他们想到可以使用一种不同寻常的溶剂，这种溶剂由冠醚分子组成。这些分子的形状不像意大利面条，而更像大餐盘。冠醚分子既能溶解这些“笼子”，又大到无法堵塞笼子内的孔洞。这种溶解在冠醚中的笼状分子的奇怪混合物是第一种多孔液体。

 

詹姆斯与法国里昂大学的玛格丽达·科斯塔-戈梅斯合作，测试了这种液体吸收气体的能力，并将其与纯冠醚进行了比较。2015年发表的研究结果令人印象深刻。

 

詹姆斯说：“有了这些空的孔洞，甲烷（在液体中）的溶解度增加到原先的大约8倍。”

 

自从概念得到证明之后，詹姆斯和库珀一直在制造其他多孔液体。他们一直在研究的一件事是尽可能降低液体的黏度，以使它们更容易用泵传输。他们还专门申请了专利，并成立了一家名为多孔液体技术的公司。

 

去年，该公司开始运行它的第一个试验规模的设备，以制造和测试多孔液体。第一个目标是测试液体海绵选择性吸收厌氧分解池释放的二氧化碳的能力。厌氧分解池实际上是一个细菌罐，用于分解厨余垃圾等有机材料。

 

詹姆斯说，初步测试显示，与现有方法相比，液体海绵提取二氧化碳时使用的能源要少17%。他说：“这是一个非常激动人心的时刻。”