早在2014年,加州大學的化學教授Omar Yaghi就注意到他的實驗室正在開發的一種新型吸水材料有些不尋常之處。從空氣中提取水分對很多事情都很有用(想想包裝里附的矽凝膠珠,用來保持物品乾燥),但為了重複使用,通常需要將乾燥劑加熱到非常高的溫度,往往在400°F左右,這會消耗大量能源。但是Yaghi的材料,一種擁有數十億個微小孔隙的原子級晶格結構,稱為金屬有機框架(MOF),在更低的溫度下就釋放了其中的水分,大約是113°F,相當於一杯溫熱的咖啡的溫度。 “我馬上就想到,我可以把這個材料帶到沙漠中,晚上它從空氣中提取水分,”Yaghi說。 “白天當太陽火熱的時候,我可以收穫飲用水。”
Yaghi,現年58歲,在化學界可謂一人獨大。他以過去30多年來開創一個稱為網狀化學的領域而聞名,這涉及精確設計具有分子級孔隙的MOF晶體。這些材料可以具有一些有趣的特性。例如,如果您試圖存儲氣態CO2,那麼一個容器內裝有孔隙尺寸精確製作以容納CO2分子的MOF,實際上可以存儲比空容器更多的CO2:MOF像蜜蜂對蜂蜜一樣吸引CO2分子。這些材料有數十種潛在應用,從電子傳感器到藥物輸送。 Yaghi在這一領域的開創性工作使他成為世界上被引用最多的化學家之一,並因其工作獲得了眾多獎項和表彰,包括提名諾貝爾化學獎(他的名字在2022年獲獎者預測中占據重要位置)。
在所有可能的進一步探索道路中,然而,Yaghi近年來主要關注網狀化學的兩個潛在用途:應對氣候變化和擴大飲用水供應。 2020年,他創立了一家名為Atoco的公司(該公司的存在以前未曾公開報導)來實現這些目標。
Yaghi對飲用水的重要性非常敏感。 20世紀70年代,他在約旦安曼長大,當時該市每週或兩週才供水幾個小時。小時候,他會在清晨等在水龍頭旁,用容器儲存一周的水供全家使用。 2014年的該實驗之後,他覺得自己有了一項發明的基礎,可以永遠解放世界各地的家庭擺脫這種困境。 “您可以在任何離網地點運行水收集器,”Yaghi說。 “您可以控制自己的水源。我稱之為水獨立。”
當今從空氣中提取水分已經成為可能(普通的除濕機就是這樣做的),但Yaghi說,利用MOF材料的精確設計孔隙來捕捉水分子的機器,可以以很少的能量持續產生水,並且適用於比現有任何技術更乾燥的環境。它們甚至可以只使用太陽熱能產生水。在7月發表於《自然·水》雜誌的一篇論文中,Yaghi和一組合作者展示了一種名為MOF-303的材料,它能夠在地球上最乾燥的地方之一死亡谷僅通過放在陽光下就持續滴水。
Yaghi創立Atoco是為了擴大如MOF等網狀材料的生產規模。 儘管Yaghi過去曾與其他試圖擴大該技術用於水收集規模的公司合作,但Atoco稱其目標是使用更新的更先進的網狀材料,並開發如無需電力的水收集器等新型設備(其他公司也在開發使用網狀化學電力驅動的水收集器,Atoco也在進行)。Atoco首席執行官Samer Taha稱,他們的機器將能夠在比現有任何技術更乾燥的環境中運行,並平均降低約一半的能量。公司希望開發的設備之一是一台大型桌面電腦大小的電力驅動機器,每天將能產生約100-200公升的飲用水,Taha說。該公司拒絕透露這些設備何時上市。
“這是世界需要的東西,”Yaghi說。 “幾乎三分之一的世界人口幾乎每個月都面臨著缺水壓力。聯合國預計,到2050年,將有近50億人面臨缺水壓力。”
Yaghi的技術不僅能從空氣中提取水分,他說他的材料在吸收二氧化碳方面也很有用。這可用於從工業煙囪中去除二氧化碳,或者直接從大氣中提取溫室氣體。
這兩個行業仍處於起步階段,但最近越來越受到重視。 去年夏天通過的減稅法案中的稅收抵免激發了工業設施碳捕集的投資,而美國能源部上個月在德克薩斯州和路易斯安那州的兩個大型項目上的12億美元投資也給直接空氣碳捕集注入了巨大動力。 (目前規劃中的任何直接空氣捕集設施規模都不足以有意義地抵消人類排放,儘管該技術的支持者稱,現在投資非常重要,以便未來我們擁有足夠大規模的設施才能產生影響。)
該行業的一大障礙是從空氣中提取CO2或從煙囪中過濾更高濃度的CO2通常需要巨大的能量。今天使用的大多數碳捕集項目使用過濾器或化學溶液(如氫氧化鉀)來捕捉CO2,但Taha稱,使用網狀化學材料可以大幅降低功率輸入。 (其他公司已在使用網狀材料進行碳捕集,但Atoco稱它將能夠提供更有效的化學反應並以低成本進行大規模生產。) “現在給出一個確切數字還為時過早,因為我們正在構建這些系統,”Taha說。 “但我們預計[與今天的標準碳捕集技術相比]效率提高30%到50%,如果不是更多的話。” 這一說法還有待驗證。如果成功,這樣的功率降低將極大地提高擴大大規模碳捕集系統的可行性。
要實現這些目標絕非易事。他們試圖使用的網狀材料的生產至今僅限於實驗室規模,Atoco面臨的主要困難之一是試圖擴大該生產工藝。 “我們並不聲稱從第一天起就能使其具有很強的可擴展性和低成本,”Taha說。 “但如果我們看看原材料,它們是可獲得的,而且不昂貴。所以隧道盡頭有光。”
Yaghi本人說,Atoco以社會使命為導向。 “老實說,最初我對[成立公司]不感興趣。” Yaghi說。 “我只想把它
