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【同辰資訊】零碳科技：負(fù)碳建材

時(shí)間：2023-07-14
作者：同辰建筑
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建材因其巨大碳排放受到越來越多關(guān)注，而科學(xué)家及企業(yè)也在不斷努力減少建材對(duì)全球氣候的影響。從混凝土、木材到微藻，不斷有新的低碳、負(fù)碳建筑材料涌現(xiàn)?；蛟S未來有一天，我們的建筑物不僅不產(chǎn)生碳排放，還能夠吸收二氧化碳...

新型工程木材
可吸附二氧化碳并使自身變得更堅(jiān)固

以材料科學(xué)聞名的美國百年老校——萊斯大學(xué)（Rice University），將木材處理成含有多孔結(jié)晶的新復(fù)合材料，不僅能吸收空氣中的二氧化碳，還能增強(qiáng)機(jī)械性能變得更堅(jiān)固。該項(xiàng)研究成果2023年2月發(fā)表在ScienceDirect網(wǎng)站的《細(xì)胞報(bào)告物理科學(xué)》期刊（Cell Reports Physical Science）上。

鋼鐵或水泥等結(jié)構(gòu)材料一向是碳排放大戶；建筑施工和使用估計(jì)占排放量的40%。開發(fā)現(xiàn)有材料的可持續(xù)替代品有助于緩解氣候變化并減少二氧化碳排放。

材料科學(xué)家穆罕默德·拉赫曼（Muhammad Rahman）及其合作者找到了一種將二氧化碳捕獲結(jié)晶多孔材料分子摻入木材的方法。

“木材是一種可持續(xù)的可再生結(jié)構(gòu)材料，我們已經(jīng)廣泛使用，”拉赫曼說?！拔覀兊墓こ棠静拇_實(shí)比未經(jīng)處理的普通木材表現(xiàn)出更大的強(qiáng)度?！?

為了實(shí)現(xiàn)這一壯舉，首先通過稱為脫木素的過程清除賦予木材強(qiáng)度的纖維素纖維網(wǎng)絡(luò)。

木材主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素這三種成分構(gòu)成。研究人員為了增加木材中的毛細(xì)孔率，將木材放入氫氧化鈉和亞硫酸鈉組成溶液中，去除木材中的木質(zhì)素使其變成無色。

隨后使用漂白劑或雙氧水去除半纖維素，最終留下木頭中的原始纖維素，讓木頭變成亮白色，且體積縮小至原本的50%。

接下來，他們將處理過的木材泡在CALF-20類型的金屬有機(jī)骨架（MOF）溶液當(dāng)中，并放到80°C的環(huán)境下進(jìn)行真空干燥過夜，以實(shí)現(xiàn)CALF-20結(jié)晶微粒存留在木頭孔隙當(dāng)中，變成Wd-CALF-20復(fù)合材料。

處于不同改性階段的木制品，從天然（最右）到脫木素（右二）到干燥、漂白和脫木素（左二）和注入MOF的功能性木材（左一）

此時(shí)，木頭的體積會(huì)縮小，并從亮白色變成乳白色狀態(tài)，能夠開始捕捉空氣中的二氧化碳。

論文中提到，一般的MOF是一種二維或三維多孔結(jié)晶材料，是主要用于捕捉二氧化碳的固體吸附劑，是一種新開發(fā)的碳捕獲技術(shù)。不過，普通的MOF在潮濕和多變的環(huán)境中不夠穩(wěn)定，容易降低它們捕獲二氧化碳的能力。

這次實(shí)驗(yàn)選用CALF-20來代替一般的MOF，原因是CALF-20擁有出色的優(yōu)先捕獲二氧化碳和不易吸收水汽、氮?dú)獾奶攸c(diǎn)。另外CALF-20還有高抗水性和可擴(kuò)展的性能，且能長期在濕酸性的環(huán)境中依然保持良好性能。

另外，科學(xué)家們?yōu)榱嗽u(píng)估去木質(zhì)素的木材（d-Wd）、CALF-20和Wd-CALF-20復(fù)合材料的晶體性質(zhì)，將這些物體放入800°C的高溫環(huán)境下進(jìn)行熱穩(wěn)定性評(píng)估。

在100°C的情況下，所有樣品都會(huì)失去5%至10%的重量，其原因是水分的釋放。當(dāng)環(huán)境溫度提升至320°C時(shí)，d-Wd開始出現(xiàn)分解現(xiàn)象，而CALF-20和Wd-CALF-20則在380°C左右開始快速分解和失重，這表明CALF-20比普通的d-Wd更耐高溫。

另外，為了證明Wd-CALF-20具有較優(yōu)異的機(jī)械性能，對(duì)其進(jìn)行拉伸和壓力實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Wd-CALF-20擁有比d-Wd更強(qiáng)的拉伸模量和強(qiáng)度。Wd-CALF-20可以承受高達(dá)75MPa的壓力，但d-Wd只能承受50MPa的壓力。

研究還發(fā)現(xiàn)，若對(duì)Wd-CALF-20復(fù)合材料進(jìn)一步壓縮、致密化，將獲得更好的機(jī)械性能。

微藻

微藻包括了一個(gè)龐大而尚未開發(fā)的生物類群，種類繁多，其生理學(xué)和生化特性范圍廣闊，從微藻中獲取生物活性物質(zhì)，已成為微藻資源開發(fā)利用的一大熱點(diǎn)。它的種種特性，決定了微藻在醫(yī)藥、食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖、化工、能源、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、航天等領(lǐng)域有著重要的開發(fā)價(jià)值。

如今，世界各國的建筑師們正在積極探索，將微藻納入建筑立面的可能性，使其成為創(chuàng)造可再生能源、凈化空氣的一種新手段。微藻作為一種光合物種，通過光合作用，它們可以吸收二氧化碳并產(chǎn)生氧氣。

當(dāng)微藻被整合到立面中，建筑結(jié)構(gòu)就會(huì)成為碳封存和生物燃料生產(chǎn)的載體。隨著對(duì)微藻的深入研究，在未來，建筑環(huán)境可能演變?yōu)橐粋€(gè)充滿活力的生態(tài)系統(tǒng)，擁有純凈的空氣和綠色的生物燃料。

新型工程木材種植結(jié)構(gòu)板?
Plantd Structural Panels?

Plantd是一家革命性的可持續(xù)建筑材料公司，將快速生長的多年生草轉(zhuǎn)化為耐用的負(fù)碳建筑材料。

Plantd將生產(chǎn)直接替代傳統(tǒng)住宅建筑產(chǎn)品的建筑材料，它們也不需要任何替代安裝技術(shù)。該公司種植快速生長的多年生草，而不是砍伐樹木，并開創(chuàng)了減少碳排放的新型生產(chǎn)技術(shù)。由此產(chǎn)生的產(chǎn)品稱為種植結(jié)構(gòu)板?，能夠保留在田間捕獲的 80% 的二氧化碳，然后將二氧化碳鎖在新房屋的墻壁和屋頂內(nèi)。