2014年,加州大学伯克利分校化学教授奥马尔·亚吉注意到他实验室正在开发的一种新型吸水材料有些不寻常。从空气中吸收水分对许多事物都很有用(想想包装里的硅胶包,用来保持物品干燥),但为了重复使用,通常需要将干燥剂加热到非常高的温度,往往接近400°F,这会消耗大量能源。但是亚吉的材料,一个充满了数十亿个细小孔隙的原子级网格结构,被称为金属有机框架(MOF),在更低的温度下就释放出水分,大约是113°F,相当于一杯温热的咖啡的温度。“我立即想到,我可以把这个带到沙漠里,晚上它会从空气中提取水分,”亚吉说。“白天当太阳火热的时候,我可以收集饮用水。”
亚吉,现年58岁,在化学界可谓独树一帜。他以过去30多年来开创一门称为网格式化学的领域而闻名,这涉及精确设计MOF晶体具有分子级孔隙。这些材料可以具有一些有趣的特性。例如,如果您试图存储气态CO2,那么一个包含适合CO2分子的孔隙的MOF容器实际上可以存储比空容器更多的CO2:MOF像蜜蜂对花蜜一样吸引CO2分子。这种材料有数十种潜在应用,从电子传感器到药物递送。亚吉创立和发展这一领域的工作使他成为世界上被引用最多的化学家之一,并因其工作获得了许多奖项和表彰,包括提名诺贝尔化学奖(他的名字出现在2022年获奖者的预测中)。
在所有可能的进一步探索道路中,然而,亚吉近年来主要关注网格式化学的两个潜在用途:应对气候变化和扩大饮用水获取。 2020年,他创立了一家名为Atoco的公司(该公司的存在以前未被报道过)来实现这些目标。
亚吉对饮用水的重要性非常敏感。20世纪70年代,他在安曼长大,那时该市每周只供水几个小时。小时候,他会在早上等在水龙头旁,用容器储存一周的家用水。2014年的实验后,他觉得自己有了一项发明的基础,可以永远解放全世界的家庭摆脱这种挣扎。 “您可以在任何地方离网运行水收集器,”亚吉说。“您可以控制自己的水。我称之为水的独立性。”
如今从空气中提取水分是可能的(普通的除湿器就是这样做的),但亚吉说,使用MOF材料的机器,具有精确定制的孔隙来捕获水分子,可以以很少的能量持续产生水,并且可以在比现有任何技术更干燥的环境中工作。它们甚至可以只使用太阳热能产生被动能量。在2023年7月发表在《自然水文》上的一篇论文中,亚吉和一组合作者展示了一种名为MOF-303的材料,它能够仅通过放置在阳光下就从死亡谷这个地球上最干燥的地方之一中持续产生水滴。
亚吉启动Atoco是为了扩大如MOF等网格式材料的生产规模。虽然亚吉过去曾与其他试图扩大水收集技术规模的公司合作,但Atoco称其目标是使用更新、更先进的网格式材料,并开发诸如无需电力的水收集器等新颖设备(其他公司也在开发使用网格式化学的电动水收集器,Atoco也是如此)。Atoco首席执行官塔哈说,他们的机器将能够在比现有任何技术更干燥的环境中运行,并平均降低约一半的能耗。该公司希望开发的设备之一是一台电动机器,大小如大型台式电脑,每天能产生约100-200升饮用水,塔哈说。该公司拒绝透露这些设备何时上市。
“这是世界需要的东西,”亚吉说。“几乎每月有三分之一的世界都经历水资源压力。联合国预测,到2050年,将有近50亿人经历水资源压力。”
亚吉的技术不仅能从空气中提取水分——他说他的材料在吸收二氧化碳方面也很有用。这可能对从工业烟囱中去除二氧化碳有用,也可能对直接从大气中提取温室气体有用。
这两个行业仍处于起步阶段,尽管最近获得了更多关注。去年夏天通过的税收抵免激发了工业设施碳捕集的投资,而美国能源部上个月在德克萨斯州和路易斯安那州的两个大型项目上的12亿美元投资也极大地推动了直接空气碳捕集。(目前规划中的任何直接空气捕集设施都不会大到足以抵消人类排放,尽管该技术的支持者说,现在投资于它很重要,这样未来我们就会拥有足够大的设施来产生差异。)
目前,从空气中吸收CO2或甚至从烟囱中过滤更高浓度的CO2通常需要巨大的能量,这是碳捕集行业的一个主要障碍。今天使用的大多数碳捕集项目使用过滤器或化学溶液(如氢氧化钾)来捕获CO2,但塔哈说,使用网格式化学制备的材料可以大大降低功率输入。(其他公司已经在使用网格式材料进行碳捕集,但Atoco称将能够提供更有效的化学方法并以低成本生产。)“现在给出一个确切数字很难,因为我们正在建立这些系统,”塔哈说。“但我们预计[与目前标准碳捕集技术相比]提高30%到50%的效率,如果不是更多的话。”这一说法还有待验证。如果成功,这种功率降低可能会极大地提高扩大大规模碳捕集系统的可行性。
但是,要实现这一目标并非易事。他们试图使用的网格式材料的生产目前仅限于实验室规模,Atoco面临的主要困难之一是尝试扩大该生产过程的规模。“我们并不声称,从第一天开始,我们就会使其具有很强的可扩展性和低廉的成本,”塔哈说。“但如果我们看看原材料,它们是可获得的,价格不高。所以隧道尽头有光。”
亚吉本人说,Atoco以社会使命为导向。“老实说,我起初并不感兴趣[创办公司]。” 亚吉说。“我只想
