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【导语】随着“碳达峰”和“碳中和”目标的全球共识，二氧化碳这一无色无味的气体成为了减排与吸收的关键焦点。其作为温室效应的“元凶”，对全球气候变化产生了深远影响。为了应对挑战，科学家提出了“碳汇”概念，并不断探索自然与人工的二氧化碳吸收之道。近期，《Nature》杂志发表了一项突破性研究，介绍了一种名为“COF-999”的黄色粉末，仅需一克就能从低浓度空气中高效吸收大量二氧化碳，为碳中和目标提供了新的可能。然而，二氧化碳的作用并非全然负面，它在农业、工业、食品和消防等领域均有着不可替代的作用。面对气候变化的挑战，科技创新与社会共同努力成为了保护地球家园、实现人与自然和谐共生的关键。

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作者：一言科普团队

监制：中国科普博览

随着“碳达峰”和“碳中和”目标的提出，二氧化碳的减排与吸收成为全球关注的焦点。这种无色无味的气体看似普通，却在工业革命以来因排放量激增，对全球气候变化产生了深远影响。那么，二氧化碳为何如此“不受待见”？我们又该如何应对呢？

二氧化碳排放

（图片来源：veer图库）

二氧化碳：温室效应的“元凶”

二氧化碳，是一种碳氧化合物，密度比空气大，广泛存在于大气中。其来源多样，包括化石燃料燃烧、工业生产、农业活动以及生物体呼吸等。

那么，二氧化碳为什么是温室气体？

温室气体是指大气中能够吸收地表反射的长波辐射，并且可以发射辐射的气体。地球表面在吸收太阳辐射的同时，会以长波辐射的形式向大气层或外太空释放热量，从而保证地球的温度在一定的范围。在这个过程中，大气中的温室气体会吸收地表反射的长波辐射，并且将部分热量“还给”地球。此时的地球相当于一个大型的温室，当返还给地球的热量过多时，就会导致全球气温上升，造成温室效应。

温室效应

（图片来源：veer图库）

二氧化碳分子由1个碳原子和2个氧原子组成，属于线性分子。其分子振动形式主要有对称伸缩振动、非对称伸缩振动和弯曲振动。其中，非对称伸缩振动和弯曲振动会导致二氧化碳分子的偶极矩（分子极性强弱的表示方式）发生变化，使其具有红外活性，从而吸收红外辐射，甚至以辐射的形式将热量释放，带来温室效应。

碳汇：自然与人工的二氧化碳吸收之道

为了应对二氧化碳过量排放带来的挑战，科学家提出了“碳汇”概念。碳汇可以简单理解为通过自然或人工过程，从大气中吸收二氧化碳并将其储存的过程，主要包括自然碳汇和人工碳汇。

森林吸收二氧化碳

（图片来源(yuán)：veer图(tú)库(kù)）

1.自(zì)然(rán)碳(tàn)汇(huì)

森(sēn)林(lín)、海(hǎi)洋(yáng)和(hé)湿(shī)地(de)等(děng)生(shēng)态(tài)系(xì)统(tǒng)是(shì)重(zhòng)要(yào)的(de)自(zì)然(rán)碳(tàn)汇。植物通过光合作用吸收二氧化碳，并将其固定在生物体内或土壤中；海洋则通过溶解度泵（二氧化碳在海水中的高溶解度）、生物泵（浮游植物光合作用）、碳酸盐沉积和海洋环流等方式，吸收大量的二氧化碳。

2.人工碳汇

碳捕获与封存（CCS）技术是人工碳汇的代表。这类技术通过化学试剂吸收或燃烧前捕集等方法分离二氧化碳，然后经过管道或船舶运输至指定地点，进行地质封存、海洋封存或矿物化封存，实现二氧化碳的消纳。

二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳地下封存

（图片来源：veer图库）

然而，不论是自然碳汇还是人工碳汇，都存在诸多不足，例如植树造林需要大量的土地资源，而碳捕获与封存技术则面临高昂的成本和技术挑战。因此，开发更高效、经济的二氧化碳吸收技术仍然是科学家们追求的目标。

科学家研制的黄色粉末，二氧化碳的“天敌”

从空气中直接捕获二氧化碳不仅能缓解温室效应的问题，还为二氧化碳的回收利用提供了可能。尽管通过高科(kē)技(jì)材料将空气中的二氧化碳进行捕集的技术已经照进现实，然而由于空气成分复杂、环境多变和二氧化碳浓度低等问题，高吸附量、快速吸附和低再生温度的稳定材料还很匮乏。

文章发表于《Nature》杂志

（图片来源：《Nature》杂志）

为解决这些问题，近期，科学家发明了一种名为“COF-999”的黄色粉末，这种黄色粉末仅需一克，就可以从低二氧化碳(tàn)浓(nóng)度(dù)（0.04%）的(de)空(kōng)气(qì)中(zhōng)吸(xī)收(shōu)2.05毫(háo)摩(mó)尔(ěr)（90.2毫(háo)克(kè)）二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)，并(bìng)且(qiě)60℃就(jiù)可(kě)以(yǐ)实(shí)现(xiàn)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)的(de)解(jiě)吸(xī)附(fù)和(hé)材(cái)料(liào)的(de)再(zài)生(shēng)。

黄(huáng)色(sè)粉(fěn)末(mò)，为(wèi)何(hé)如(rú)此(cǐ)神(shén)奇(qí)？

COF-999是(shì)一(yī)种(zhǒng)结(jié)晶(jīng)共(gòng)价(jià)有(yǒu)机(jī)框(kuāng)架(jià)材(cái)料(liào)（‌COF），由(yóu)有(yǒu)机(jī)分(fēn)子(zi)通(tōng)过(guò)共(gòng)价(jià)键连(lián)接(jiē)而(ér)成(chéng)。该(gāi)材(cái)料具有高比表面积、特殊的孔结构和高稳定性等优点，被广泛应用于气体吸附和分离、异相催化、储能材料等领域。

COF-999的(de)空(kōng)间(jiān)填(tián)充(chōng)模(mó)型(xíng)和(hé)化(huà)学(xué)结(jié)构(gòu)图(tú)

（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)1）

为(wèi)降(jiàng)低(dī)空(kōng)气(qì)中(zhōng)的(de)水(shuǐ)对(duì)二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)吸(xī)附(fù)的(de)影(yǐng)响(xiǎng)，研(yán)究(jiū)者(zhě)将(jiāng)COF的(de)孔(kǒng)道(dào)结(jié)构(gòu)进(jìn)行(xíng)疏(shū)水(shuǐ)处(chù)理，以降低孔道内的活性组分对水的吸附。同时，“COF-999”中的聚胺活性单元通过共价键的方式连接，其主链分子通过稳定的烯烃键连接，使得材料的结构稳定性和使用寿命均得到提升。

实验表明，1克COF-999可从低浓度（0.04%）空气中吸收90.2毫克二氧化碳，且在60℃下即可实现脱附再生。更令人惊叹的是，该材料经过20余天的二氧化碳连续吸附实验，循环使用100次后，性能依然稳定。

COF-999材料吸附二氧化碳效率图；b. 二氧化碳的产率与吸脱附循环次数关系图；c. 二氧化碳吸附(fù)等(děng)温(wēn)线；d. COF-999材料循环100次后吸附二氧化碳图.

（图片来源：参考文献1）

生活中没有二氧化碳可以吗？

尽管过量二氧化碳会导致温室效应，但其在多个领域的作用不可替代。

在农业领域，二氧化碳是植物光合作用的重要原料。在叶绿体内，二氧化碳与水在光照条件下发生反应生成葡萄糖并释(shì)放出氧气。这一过程不仅为植物生长提供能量，也为地球生态系统提供必需的氧气和有机物质。在温室种植中，适度提高二氧化碳浓度能显著提高农作物的产量和品质，促进蔬菜鲜嫩度与果实饱满度。

在工业应用中，二氧化碳具有多重用途。作为焊接保护气，能有效隔绝空气中的氧和氮，避免高温熔融金属发生氧化或氮化反应，从而确保焊缝牢固平整。此外，作为甲醇、尿素等化学品的关键合成原料，广泛应用于燃料、肥料、塑料制品，支撑现代工业体系。

植物施肥

（图片来源：veer图库）

在食品行业，二氧化碳是碳酸饮料的灵魂，能赋予清爽气泡感和独特风味，在啤酒酿造过程中促进细腻泡沫形成，还能在一定程度上抑制微生物的生长，延长啤酒的保质期。同时，二氧化碳还可以通过调节气体环境与低温处理有效延缓食品腐败，保障运输及储存过程中的新鲜度。

在消防领域，二氧化碳的作用同样重要。通过快速稀释氧气浓度至燃烧临界点以下实现高效阻燃，尤其适用于精密仪器等特殊场景的灭火需求。

面对气候变化的严峻挑战，科技创新为我们提供了新的解决方案。“COF-999”黄色粉末的问世，展现了人类在碳捕集技术上的智慧突破——它不仅高效吸附二氧化碳，还能循环使用，为碳中和目标提供了新的可能。然而，技术并非万能，真正的改变需要全社会的共同努力。只有通过科技与社会的协同合作，才能更好地保护地球家园，实现人与自然的和谐共生。

参考文献：

1.Zhou Z , Ma T , Zhang H ,et al. Carbon dioxide capture from open air using covalent organic frameworks[J]. Nature, 2024.

2.Shi, X. et al. Sorbents for the direct capture of CO2 from ambient air[J]. Angew. Chem. Int. Ed., 2020.

3.靖宇,韦力,王运东.吸附法捕集二氧化碳吸附剂的研究进展[J]. 化工进展, 2011.

4.江涛,魏小娟,王胜平,等.固体吸附剂捕集CO2的研究进展[J]. 洁净煤技术,2022.

5.宋师忠,焦艳霞.二氧化碳用途综述与生产现状[J]. 化工科技市场, 2003.