未解之谜网

当前位置: 未解之谜网 > 技术创新 > 新研发木材吸收二氧化碳，更坚固耐用且环保

新研发木材吸收二氧化碳，更坚固耐用且环保

图为处于不同改性阶段的木块（从右至左）：天然木材、去木质化木材、干燥漂白脱木质素木材、注入MOF的功能性木材。（Gustavo Raskosky/Rice University）

美国一所大学最近研发出一种工艺，可将捕捉的二氧化碳压入木材当中，使木材变得更加坚固耐用且环保。

以材料科学闻名的美国百年老校——莱斯大学（Rice University），将木材处理成含有多孔结晶的新复合材料，不仅能吸收空气中的二氧化碳，还能增强机械性能变得更坚固。该项研究成果2023年2月发表在ScienceDirect网站的《细胞报告物理科学》期刊（Cell Reports Physical Science）上。

木材主要由纤维素、半纤维素和木质素这三种成分构成。研究人员为了增加木材中的毛细孔率，将木材放入氢氧化钠（NaOH）和亚硫酸钠组成溶液中，去除木材中的木质素使其变成无色。

随后使用漂白剂或双氧水去除半纤维素，最终留下木头中的原始纤维素，让木头变成亮白色，且体积缩小至原本的50%。

接下来，他们将处理过的木材泡在CALF-20类型的金属有机骨架（MOF）溶液当中，并放到80°C的环境下进行真空干燥过夜，以实现CALF-20结晶微粒存留在木头孔隙当中，变成Wd-CALF-20复合材料。

此时，木头的体积会缩小，并从亮白色变成乳白色状态，能够开始捕捉空气中的二氧化碳。

论文中提到，一般的MOF是一种二维或三维多孔结晶材料，是主要用于捕捉二氧化碳的固体吸附剂，是一种新开发的碳捕获技术。不过，普通的MOF在潮湿和多变的环境中不够稳定，容易降低它们捕获二氧化碳的能力。

这次实验选用CALF-20来带替一般的MOF，原因是CALF-20拥有出色的优先捕获二氧化碳和不易吸收水汽、氮气的特点。另外CALF-20还有高抗水性和可扩展的性能，且能长期在湿酸性的环境中依然保持良好性能。

另外，科学家们为了评估去木质素的木材（d-Wd）、CALF-20和Wd-CALF-20复合材料的晶体性质，将这些物体放入800°C的高温还境下进行热稳定性评估。

在100°C的情况下，所有样品都会失去5%至10%的重量，其原因是水分的释放。当环境温度提升至320°C时，d-Wd开始出现分解现象，而CALF-20和Wd-CALF-20则在380°C左右开始快速分解和失重，这表明CALF-20比普通的d-Wd更耐高温。

另外，为了证明Wd-CALF-20具有较优异的机械性能，对其进行拉伸和压力实验，发现Wd-CALF-20拥有比d-Wd更强的拉伸模量和强度。Wd-CALF-20可以承受高达75MPa的压力，但d-Wd只能承受50MPa的压力。

报告中还提到，若对Wd-CALF-20复合材料进一步压缩、致密化，将获得更好的机械性能。

莱斯大学材料科学和纳米工程的研究人员、该研究的主要作者苏摩婆‧罗伊（Soumyabrata Roy）向莱斯大学新闻室解释说，“普通的MOF在不同的环境条件下都不是很稳定，在于它们很容易受潮，因此不少人不希望它们出现在结构材料中，但CALF-20却能够在各种环境条件下使用。”

他说：“CALF-20颗粒很容易融入纤维素孔隙中，并有利于附着在纤维上面。目前还没有可生物降解的、且能持续的吸附材料来吸收二氧化碳，因此这次选用CALF-20来增强木材适应性。”

莱斯大学材料科学助理教授穆罕默德‧拉赫曼（Muhammad Rahman）也对莱斯大学新闻室表示，“普通的木材是一种可持续、可再生结构材料，而我们的工程木材则比那些普通未经处理的木材拥有更高的强度。”

拉赫曼说，“金属或水泥等结构材料的制造是工业碳排放的主要来源，就使用的物质和加工副产品而言，我们的工艺更简单且更环保。”

目前该项实验获得美国空军研究实验室的支持。