全球变暖的加剧主要源于温室气体，尤其是二氧化碳的排放量急剧上升。碳捕获技术，特别是通过吸附剂从空气中捕获和储存二氧化碳，成为一种极具前景的减排方案。
传统上，液体吸附剂用于碳捕获，但它们面临设备腐蚀、成本高和再生能源需求大的问题。为了解决这些问题，研究者们开始探索固体多孔材料用于二氧化碳的吸附，即二氧化碳原子附着在固体材料的表面。
新加坡科技与设计大学(SUTD)的副教授吴平在其碳捕获研究中选择了云母，这是一种廉价且丰富的粘土矿物，具有多种应用。
云母由片状的氧化铝硅酸盐层构成，层间的钾离子通过离子键相连。然而，复杂的结构使得将云母分离成单层或多层以形成有利于二氧化碳捕获的二维(2D)纳米片变得困难。以往的研究方法也需要较长的反应时间和高能耗。
为了有效生产二维云母纳米片，吴副教授与SUTD团队及科学、技术和研究局(A*STAR)的研究人员合作。他们在《材料》杂志上发表了题为“利用溶剂热和微波辅助技术高效合成二维云母纳米片，用于二氧化碳捕获应用”的研究论文。
“基于我们在机械化学方面的最新突破，我们创新性地结合了微波化学和溶剂热机械化学技术。通过利用微波和溶剂热过程产生的能量，我们能够将这种能量转化为固液气界面内的应变能，从而促进了云母(eMica)纳米片的剥离。这些作用能够快速去角质，显著缩短反应时间。”
研究小组将天然云母与氢氧化钾在封闭反应容器中的极性溶剂中混合。然后在微波中加热该反应，将能量传递给吸收微波的极性溶剂和反应物。加上容器内自行产生的压力，云母被迅速剥离，反应时间大幅缩短。经过微波处理的云母随后经过超声处理以进一步膨胀和分离层。经过几轮纯化，研究小组合成了eMica纳米片。
与散装云母相比，eMica纳米片在横向尺寸和厚度上更加均匀。此外，eMica纳米片表现出有序的原子排列，显示出其高质量和最小的缺陷。
吴副教授和他的团队接下来研究了纳米片在二氧化碳捕获应用中的潜力。他们发现eMica纳米片的二氧化碳吸附能力比普通云母高出87%。尽管文献中其他类型的吸附材料显示出更高的容量，但eMica纳米片仍然超越了其他经过碳捕获改性的粘土矿物。
eMica纳米片优越的CO2吸附能力归因于其膨胀层之间的高比表面积和孔隙率。这种二维材料的比表面积增加了五倍多，从块状云母的29.1m2/g增加到纳米片的171.3m2/g。纳米片的孔隙率也显著提高，孔隙体积增加了7倍，从散装云母的0.145cc/g增加到eMica纳米片的1.022cc/g。
当云母中的钾离子与水和空气中的二氧化碳反应时，纳米片上碳酸钾(K2CO3)的沉积也可能促进了二氧化碳的吸附。该团队通过计算机模拟支持了这一假设，模拟结果表明，K2CO3沉积的单层云母在二氧化碳吸附方面优于大块云母和单层云母。
从机理上讲，二氧化碳主要通过物理吸附被eMica纳米片捕获，与表面形成较弱的静电吸引。这与二氧化碳在纳米片表面被化学吸收时形成的更强的离子键形成对比，后者发生的程度较小。这种主要的物理吸附机制将允许更容易的二氧化碳解吸和eMica纳米片的再生。
研究小组发现，在进行循环吸附/解吸测试时，纳米片能够保持强大的吸附能力，证明了eMica纳米片的可恢复性和稳定性。吴副教授认为，这项研究将引起发电部门、环境和监管机构以及其他追求二氧化碳捕获新材料和技术的研究人员的关注。此外，他的研究有助于SUTD的可持续发展计划。
“二氧化碳捕集是减少温室气体排放的重要环节，也是SUTD可持续发展战略的重点领域。我们的工作旨在开发一种高效的综合方法，这与大学对可持续运营以及可持续教育和研究的重视是一致的。”
展望未来，吴副教授的目标是开发一种可扩展的云母剥离方法，并探索云母在水净化中的应用。
“采用可持续和具有成本效益的方法来扩展制造二维材料，可能对工业和社会产生重大影响，例如减少碳排放和提高能源效率。总体而言，我们希望这项研究能够促进我们对二维材料及其潜在应用的理解，并为可持续和创新技术的发展做出贡献。”
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