这种新型碳材料可大幅降低“捕碳”成本

固态碳材料因成本低、比表面积大、能有效吸附二氧化碳（CO₂）而备受关注。尤其当材料含氮官能团时，更易在较低温度下释放CO₂，利于节能再生。但传统制备方法中氮原子分布随机，难以确定何种结构最有效。为此，日本千叶大学山田康宏副教授（工学研究院）与大场智则副教授（理学研究院）领衔团队，设计出名为‘野豌豆石’（viciazites）的新型氮掺杂碳材料——其核心突破在于首次实现氮基团（如-NH₂、吡咯氮、吡啶氮）的‘相邻可控排布’。研究人员用三种不同起始物，分别制得三类viciazites：第一种通过芘衍生物经加热、溴化、氨气处理三步法，获得相邻伯胺基（-NH₂），选择性达76%；第二种含相邻吡咯氮，选择性82%；第三种含相邻吡啶氮，选择性60%。所有材料均负载于活性炭纤维上制成实用样品，并利用核磁共振（NMR）、X射线光电子能谱（XPS）及计算模拟等手段确认氮原子确为成对邻接，而非随机分布。性能测试表明：含相邻-NH₂和相邻吡咯氮的样品CO₂吸附量明显高于未改性碳纤维；而相邻吡啶氮效果甚微。最关键的是，相邻-NH₂材料可在60℃以下高效脱附CO₂——这意味着可直接利用工业余热完成再生，大幅削减运行能耗与成本。相比之下，相邻吡咯氮虽需更高脱附温度，但因其化学结构更稳定，可能更适合长期循环使用。该研究首次证实‘氮原子成对排布’这一分子级设计策略切实可行，为定制高性能、低成本碳捕集材料提供了清晰路径。研究者指出，这类材料还可拓展用于金属离子去除或催化反应等场景。本工作获日本向井科学技术振兴财团、日本学术振兴会（JSPS）及文部科学省‘日本材料与纳米技术先进研究基础设施（ARIM）’项目资助。