牛糞，竟搖身一變成了“吸碳神器”？

在印度約有 1.1 億頭牛，每頭牛每天產(chǎn)糞約 9-15 公斤，這種“廢料”并不稀奇，它們通常作為燃料和肥料被再次利用。然而，最近印度的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了牛糞更高的價(jià)值，或成為治理全球變暖的一種新方案。

印度理工學(xué)院研究人員用牛糞開發(fā)出一種氮摻雜多孔碳材料（NDPC，nitrogen-doped activated porous carbon），這種材料的獨(dú)特之處在于，它能像海綿吸水那樣高效捕獲二氧化碳。這種材料比表面積達(dá) 1,153 平方米/克，相當(dāng)于 1 克材料就能覆蓋數(shù)個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)。相關(guān)論文發(fā)表于 Surface and Innovations。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Surfaces and Interfaces）

這種材料配方混合了牛糞、三聚氰胺和碳酸氫鉀。其中，碳酸氫鉀是一種綠色環(huán)保、腐蝕性低且有效的活化劑，而三聚氰胺則為材料提供了氮源。其工藝也十分簡(jiǎn)單，只需一次高溫?zé)峤猓粌H不需要強(qiáng)酸強(qiáng)堿，無(wú)需復(fù)雜后處理，在制備過程中幾乎不產(chǎn)生廢水，兼顧了環(huán)保性和簡(jiǎn)便性。

“將混合物在無(wú)氧條件下以極高溫度加熱，這一過程稱為熱解，可生成用于高效捕獲二氧化碳分子的 NDPC。關(guān)鍵的奧秘就在于，氮摻入碳中提高了材料捕獲二氧化碳的能力。”論文共同作者、印度理工學(xué)院博士生 Sree Harsha Bharadwaj H 說(shuō)道。

多孔結(jié)構(gòu)是該材料高效吸收二氧化碳的根源?？蓜e小看這些密密麻麻的微小孔洞，在 1 個(gè)大氣壓、30℃條件下，1 公斤材料足足能“吸附”3.7 摩爾（約合 162 克）二氧化碳，并具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)使用 10 次性能不衰減。

（來(lái)源：Surface and Innovations）

全球變暖是當(dāng)今最緊迫的全球挑戰(zhàn)之一，主要原因在于二氧化碳的濃度不斷升高（目前約 428 ppm），通常來(lái)自人們的日?；顒?dòng)，例如發(fā)電用的燃燒化石燃料、交通運(yùn)輸和工業(yè)生產(chǎn)等。

目前主要的解決方法包括碳捕獲、利用與封存。碳捕獲可通過多種工藝實(shí)現(xiàn)，例如液體化學(xué)吸收、膜分離和固體材料吸附。然而，這些工藝面臨高能耗、高開發(fā)成本和復(fù)雜的制備工藝等一系列挑戰(zhàn)。

一種有前景的策略是使用多孔碳作為二氧化碳吸附劑。多孔碳含有微小的孔隙，可以吸附二氧化碳在其表面，類似于用活性炭空氣凈化方法去除肉眼看不見的污染物。但是，開發(fā)這些吸附劑需要借助具有腐蝕性和有毒的材料，使用過程中產(chǎn)生的廢水可能會(huì)進(jìn)一步污染環(huán)境。

牛糞本身是一種有機(jī)物，灰分里還包含鉀、鈉等礦物質(zhì)，適合用作碳材料的前驅(qū)體。研究人員以碳酸氫鉀作為活化劑，將牛糞與三聚氰胺按不同比例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，當(dāng)二者比例為 1:1 時(shí)制備的 NDPC-1 性能最佳。該材料制作工藝簡(jiǎn)單，為何材料效果驚人？

為探索這個(gè)問題，研究人員對(duì) NDPC-1 進(jìn)行了原子級(jí)模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻進(jìn)去的氮原子讓材料含氮量達(dá)到 2.95%，這正是材料能夠高效吸收二氧化碳的關(guān)鍵要素。

研究人員發(fā)現(xiàn)，原來(lái)普通碳材料通常不含氮或含量較低，僅基于物理小孔洞“裝”二氧化碳，很容易裝不滿。而加了氮的材料，等同于在結(jié)構(gòu)的每個(gè)小孔中都加上了“磁鐵”，不僅能夠吸收更多的二氧化碳分子，還會(huì)吸得更牢固。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比顯著：加了氮的 NDPC-1 吸附能力比普通碳材料高 28%，比單純熱解碳高 58%。

然而，研究人員并不滿足于在實(shí)驗(yàn)室制備出一種好材料，他們更關(guān)心的是這種材料究竟能用在哪里。他們想到，這種高效捕獲二氧化碳的優(yōu)勢(shì)，有可能為治理全球變暖提供新的技術(shù)支撐。

傳統(tǒng)的高性能的吸附材料各有局限性，例如合成工藝復(fù)雜、污染大、成本高等。此外，一些吸附材料通常需要 400–700°C 的高溫處理，而該材料僅在 30℃ 低溫環(huán)境可完成二氧化碳捕獲。

更重要的是，用廢棄物牛糞來(lái)做吸碳材料具有“一石二鳥”的作用：不僅能解決牛糞堆積產(chǎn)生的環(huán)境污染，還能高效捕獲二氧化碳，治理全球變暖。

這種“碳海綿”工藝簡(jiǎn)單、原料價(jià)格低以及綠色合成的特性，有利于未來(lái)大規(guī)模應(yīng)用。從實(shí)際應(yīng)用的角度，短期內(nèi)，這項(xiàng)技術(shù)有可能主要用于處理工業(yè)尾氣。

隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟與發(fā)展，用這種材料做的吸附裝置，可以裝到那些大量排放二氧化碳的工廠煙囪上，例如電廠、水泥廠、鋼鐵廠等。這樣，二氧化碳在從煙囪向大氣排放的過程中，用牛糞做的“碳海綿”相當(dāng)于為大氣做了一次深度過濾，將二氧化碳牢牢吸附住。

當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際的工業(yè)化應(yīng)用，還需要經(jīng)歷更深入的探索。例如，如何將粉末狀的材料制備成工業(yè)用的顆粒狀，如何讓材料的吸附性能更高等等。盡管如此，這項(xiàng)技術(shù)為治理全球變暖提供了一個(gè)全新方案：或許對(duì)抗氣候變暖的利器，就藏在每年產(chǎn)生數(shù)十億噸的牛糞里。

參考資料：

1.https://doi.org/10.1016/j.surfin.2026.108833

2.https://phys.org/news/2026-03-cow-dung-sustainable-carbon-dioxide.html

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍