一個利用濕度梯度駕馭能量的化學技巧，有機會成為減緩氣候變遷的另一項利器。

在幾世紀排放二氧化碳到地球大氣後，人們現在正尋求去除它的方法 (請參閱Physics Today，2022年六月號第26頁)。但有一個障礙﹕儘管氣候變遷是大氣中二氧化碳的濃度升高所驅使，但這濃度(約420 ppm左右)仍是相對低的。擴散作用自然地將分子從高濃度區移往低濃度區，而從空氣中取出二氧化碳則需要反轉這個過程。從空氣中分離已是非常稀薄的物質在熱力學和動力學上都是挑戰，也使得這項任務變得既耗能又緩慢。

為了反轉典型的擴散過程，細胞與其它生物系統使用一種有效的技巧，將分子逆著濃度梯度移動。例如，細胞將氫離子排出以維持在一個特定的pH值，這個稱為「主動傳輸」(active transport)的技巧，工作方式類似一個水車：當一種物質沿著其梯度向下移動時(從高濃度到低濃度)，釋出的能量被用來移動另一種物質逆著梯度而上(從低濃度到高濃度)。

英國紐卡索大學的Ian Metcalfe與同事們現在找到了一種利用人工版主動傳輸機制將二氧化碳移出空氣的方法1，正如同水車，水的運動(在這例子是分子的層級)提供了驅動力。

此方法運用兩個氣團之間的濕度差，分離是透過一個包含共同載體(common carrier)的薄膜來完成，共同載體與CO2或水分子鍵結，將它們來回穿梭薄膜產生兩物質間相等反向的交換。如圖1所示，薄膜一側氣團的濕氣導致水分從潮濕側移往乾燥側，提供能量讓二氧化碳在反方向相應地移動。

圖1.水從濕空氣通過薄膜移動到乾空氣，這過程所釋放的能量∆E被用來反方向移動二氧化碳。(改編自參考文獻1)

共同載體

Metcalfe 與同事們一開始並不是要複製主動運輸，相反的，他們是透過一次偶然的實驗發現這機制。他們正研究使用熔鹽薄膜來分離二氧化碳，這是「直接空氣捕獲」(direct air capture)這巨大的研究領域中的一個小小分支(參閱Physics Today，2020年一月號第44頁)。大部分利用這種薄膜進行的實驗都有某種程度的滲漏，當研究人員計算薄膜對於特定任務的有效性時，一般會使用示蹤氣體(tracer gas)來測量滲漏的程度，並修正它們。Metcalfe與同事們並不滿於這個一般狀況，他們試圖設計一種無滲漏的薄膜。

滲漏的發生，是因為熱的薄膜和開管(open-ended tube)尾端間很難去完美密封，這些研究人員透過在氧化鋁圓柱的尾端鑽許多小孔，然後填入熔融鹽——在這例子中，是大約相等的鋰、鈉和鉀碳酸鹽之混合物——來製造無滲漏的薄膜。在當時是博士生的研究團隊成員Sotiria Tsochataridou所帶領的早期實驗中，團隊注意到，任何時候只要在一側引入濕氣，水就會移往乾燥的那一側，而等量的CO2 分子則以反方向移動。

    「當我看到這現象時便認出來，我想，這很可能是我們有了一種”共同載體”」Metcalfe談起這個早期實驗，「在那裡我們得到一種可以來回穿梭的物質，假如是這這情形，我們應該能夠用它做一些有趣的事。」

這個實驗的卓越並不僅是因為它們無滲漏。氧化鋁並不是熔鹽薄膜的典型支撐材料。最常見的，是導電性材料，它們透過傳輸電荷幫助薄膜發揮作用。薄膜的研究人員普遍認為，這種薄膜沒有導電性支持材料是無法運作的，但氧化鋁不導電，可是它確實有效。

 Metcalfe表示：「我們做了一個很傻的實驗，卻得到相當有趣的結果。」「其他所有人都說它不行，但無人去檢驗。」

 

等量交換

後續實驗證實了最初的猜想，即薄膜包含了一種共同載體。薄膜分離不同於過濾器，後者為一個氣團通過介質產生一個輸入氣流與一個輸出氣流，薄膜分離涉及到兩個移動的氣團，因此有兩個輸入與兩個輸出。薄膜的研究中，並不全然要收集所有四個氣流的測量，但在這個例子，它們是注意到共同載體效應的必要條件。

實驗開始，從薄膜的兩側注入乾燥空氣流，其包含約400 ppm的二氧化碳，接近現今大氣的平均濃度。當氣流的流速相等並且其中一側引入水蒸氣時，水快速地從潮濕側滲透到乾燥側，濃度上升至200 ppm；等量的二氧化碳從乾燥側移動到潮濕側，使乾燥側的二氧化碳濃度剩下200 pm，潮濕側的濃度則上升至600 ppm。

如圖2所示，當Metcalfe與同事們將潮濕側的流速降低5倍時，這一側的二氧化碳濃度增加1000 ppm，是相同流速下觀察到的增加量的5倍，到1400 ppm的總濃度。不過在二氧化碳濃度達到1400 ppm之前，水進入氣流後有個稍微的隆起，這個隆起來自儲存於鹽膜中的二氧化碳突然被水流排放出來。

圖2、當經過一段平衡的時間後濕度(藍線)增加，氣團中的二氧化碳濃度(紅線)上升。研究人員利用這個關係圖，設計新的方法來吸取空氣中的二氧化碳(改編自參考文獻1)。

接著Metcalfe請求Patricia Hunt(紐西蘭威靈頓市維多利亞大學)的協助，探索熔融碳酸鹽中可能出現的載體反應。她利用密度泛函理論，發現因為幾種載體有類似的化學穩定性，多個反應途徑可在薄膜中發生。這些載體一般由碳酸鹽與不同比例的鋰或鈉離子團所組成，而這些載體具有高度選擇性：它們只與水或二氧化碳結合，能量上稍微偏好與二氧化碳結合。

雖然這一發現是由空氣中吸取二氧化碳的新方式，但此方法離實施於直接空氣捕獲系統所需的條件還有一段距離﹕1400 ppm 的二氧化碳濃度仍遠低於永久儲存所需的接近純二氧化碳的濃度。不過，Metcalfe與同事們說明，這個新過程可以作為一個有價值的預濃縮(preconcentration)步驟，它能降低其它下游提取方法的花費。進一步調整流速與相對溼度，亦可將濃度推向更高。

實驗中所使用的極乾燥空氣也是遠遠低於大氣的濕度，即使是在最乾燥的沙漠， 為此，研究人員也研究在薄膜的兩側使用加濕的空氣同時保有濕度梯度。他們發現，薄膜在自然條件的濕度下也能運作，儘管滲透率確實有些下降。許多地區的日夜大氣濕度自然的波動，可為此機制提供足夠的梯度用於直接空氣捕獲。

實驗所用的碳酸鹽要保持熔融狀態，它們必須要在至少400 °C的溫度，這意味著空氣也必須這麼熱，這可能造成大規模擴展此過程的另一種障礙，不過有些方法可能可以降低熔點，像是在鹽中摻雜其它材料等。

Metcalfe對於改良此方法或發現其它共同載體材料的前景感到興奮，他表示：「我們想嘗試改變人們的思考方式——解決熱力學與動力學障礙是有方法的——而透過這個啟發，也許加上巧妙的工藝，他們能更前進一步。」

這個新方法的顯著優點是快速且有高度選擇性：只有水跟二氧化碳通過這個薄膜而無滲漏。儘管直接空氣捕獲的薄膜研究中，高分子薄膜占了大部分，但它們通常選擇性低，在二氧化碳外，亦有其它氣體能通過。實驗所用的碳酸鹽和氧化鋁也是相對便宜的基本材料。任何單一的技術都不可能為迫在眉睫的氣候變遷問題提供解方，Metcalfe與同事們的熔鹽薄膜為這個努力添加了一個有效的新工具。

 

 

Reference
I. S. Metcalfe et al., Nat. Energy 9, 1074(2024)