负碳新型木材：可吸附二氧化碳并使自身变得更坚固

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。

钢铁或水泥等结构材料一向是碳排放大户；建筑施工和使用估计占排放量的40%。开发现有材料的可持续替代品有助于缓解气候变化并减少二氧化碳排放。

材料科学家穆罕默德·拉赫曼（Muhammad Rahman）及其合作者找到了一种将二氧化碳捕获结晶多孔材料分子掺入木材的方法。

“木材是一种可持续的可再生结构材料，我们已经广泛使用，”拉赫曼说。“我们的工程木材确实比未经处理的普通木材表现出更大的强度。”

为了实现这一壮举，首先通过称为脱木素的过程清除赋予木材强度的纤维素纤维网络。

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来代替一般的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的高温环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。

研究还发现，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。