胺基固体吸附剂因其高二氧化碳吸附容量以及强二氧化碳选择性，正逐步成为碳捕捉工业规模应用的焦点。然而，尽管这些特性对于商业化直接空气捕集操作至关重要，吸附剂在多次循环中的性能稳定性是决定其使用寿命和整个工艺成本的关键因素。
提高这些吸附剂的抗氧化稳定性可以降低碳捕集技术的运营成本，从而推动其更广泛的商业化应用。
基于此，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室长聘研究员黎斯驰博士和所在团队，首次深入探讨了二氧化碳在这些吸附剂氧化降解过程中的影响。
研究表明，二氧化碳对聚乙烯亚胺吸附剂的氧化动力学具有非单调的影响，其影响因温度随二氧化碳浓度的不同而显著变化。
该研究的结论不仅调和了现有文献中存在的争议，还为直接空气捕集技术提供了改进的方向，其中包括引入功能性基团、添加剂或具有特定表面化学性质的氧化物支撑体，以降低聚合物的活动性或中和酸性环境，从而减缓氧化降解的速度。
对于相关论文审稿人表示：“作者针对胺基固体吸附剂在二氧化碳捕集过程中，由环境空气中的多种气体以及其他含氧气体（如烟道气）引起的降解机制进行了研究。降解由二氧化碳、水蒸气以及温度等其他因素引起。作者对这一复杂问题进行了深入且独到的分析。”
该项研究涉及的胺基固体吸附剂目前已在与黎斯驰等人合作的初创公司中投入千吨级碳捕集规模的商业直接空气捕集中。基于对材料降解机理理解，他们正着手开发下一代具有更长使用寿命的吸附材料，以进一步降低直接空气捕集应用中的材料成本。
黎斯驰表示，这项研究始于 2020 年底。主要参与的科研机构包括美国乔治亚理工学院、美国国家可再生能源实验室和劳伦斯利弗莫尔国家实验室。
材料稳定性与降解机制的基础研究，相对比对材料单一性能进行优化更为复杂，牵涉到多领域的学科知识。项目刚开始的时候，大家集思广益，探索的角度比较多元。前两年主要是在试错阶段，产出是比较少的。
但是，大家顶住压力，在第三年开始慢慢达成共识，将精力集中在两到三个方向，其中包括这项研究所侧重的关于环境条件（如水汽、二氧化碳浓度、温度）的对材料降解的影响。
在提出主要的模型理论与假设之后，大家分工开始明确起来：乔治亚理工学院团队主导材料合成以及降解实验；劳伦斯利弗莫尔国家实验室团队负责理论模拟计算和材料表征实验。当大家统一好中心思想后，这个过程相对高效，所以在一年内就顺利完成了所有数据的采集。
黎斯驰表示：“劳伦斯利弗莫尔国家实验室与乔治亚理工学院的紧密高效合作，是这项工作能顺利完成的重要原因之一。乔治亚理工团队与黎斯驰对接的是一个来自埃塞尔比亚的三年级博士生（目前已是五年级）。他是一个自驱力很强的学生，每次探讨后的补充实验几乎几天就能完成。”
在这期间，黎斯驰扮演了导师的角色，准确来说是亦师亦友。他们每周会有一对一的讨论。他几乎可以随时向黎斯驰提出问题，哪怕是周末。黎斯驰会尽黎斯驰所能帮他修改学术论文和会议报告，也会跟他交流博士毕业后的职业发展选择以及生活上的“烦恼”和小趣事。这对黎斯驰来说是一段很有意义的体验。
日前，相关论文以《二氧化碳对支化聚乙二胺氧化降解的竞争性动力学后果》（Competing Kinetic Consequences of CO2on the Oxidative Degradation of Branched Poly(ethylenimine)）为题发在JACS[1]。
图 | 相关论文（来源：JACS）
黎斯驰是第一作者，乔治亚理工大学的卡斯滕·西弗斯（Carsten Sievers）教授和克里斯托弗·W·琼斯（Christopher W. Jones）教授以及美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室西蒙·H·庞（Simon H. Pang）研究员担任共同通讯作者。
图 | 黎斯驰（来源：黎斯驰）
下一步，他们计划在环境条件的对材料降解的影响这个方向上做更深入的研究。背后有两个原因：（1）在他们之前的研究中，还有几个重要问题尚未解决；（2）尽管该课题更偏向于基础研究，但它对工业应用具有重要意义，如直接空气捕集的材料与流程优化。目前，他们的工作吸引了多个化工材料公司的合作兴趣。
参考资料：
1.Li, S., Guta, Y., Calegari Andrade, M. F., Hunter-Sellars, E., Maiti, A., Varni, A. J., ... & Jones, C. W. (2024). Competing Kinetic Consequences of CO2 on the Oxidative Degradation of Branched Poly (ethylenimine).Journal of the American Chemical Society, 146(41), 28201-28213.
排版：何晨龙、刘雅坤
