零碳科技：负碳建材

文章来源：友绿网

建材因其巨大碳排放受到越来越多关注，而科学家及企业也在不断努力减少建材对全球气候的影响。从混凝土、木材到微藻，不断有新的低碳、负碳建筑材料涌现。或许未来有一天，我们的建筑物不仅不产生碳排放，还能够吸收二氧化碳。

新型工程木材，

可吸附二氧化碳并使自身变得更坚固

以材料科学闻名的美国百年老校——莱斯大学（Rice University），将木材处理成含有多孔结晶的新复合材料，不仅能吸收空气中的二氧化碳，还能增强机械性能变得更坚固。该项研究成果2023年2月发表在ScienceDirect网站的《细胞报告物理科学》期刊（Cell Reports Physical Science）上。

钢铁或水泥等结构材料一向是碳排放大户；建筑施工和使用估计占排放量的40%。开发现有材料的可持续替代品有助于缓解气候变化并减少二氧化碳排放。

材料科学家穆罕默德·拉赫曼（Muhammad Rahman）及其合作者找到了一种将二氧化碳捕获结晶多孔材料分子掺入木材的方法。

“木材是一种可持续的可再生结构材料，我们已经广泛使用，”拉赫曼说。“我们的工程木材确实比未经处理的普通木材表现出更大的强度。”

为了实现这一壮举，首先通过称为脱木素的过程清除赋予木材强度的纤维素纤维网络。

天然木材（左）与木素木材。从木材中去除木质素使其无色。

木材主要由纤维素、半纤维素和木质素这三种成分构成。研究人员为了增加木材中的毛细孔率，将木材放入氢氧化钠和亚硫酸钠组成溶液中，去除木材中的木质素使其变成无色。

随后使用漂白剂或双氧水去除半纤维素，最终留下木头中的原始纤维素，让木头变成亮白色，且体积缩小至原本的50%。

接下来，他们将处理过的木材泡在CALF-20类型的金属有机骨架（MOF）溶液当中，并放到80°C的环境下进行真空干燥过夜，以实现CALF-20结晶微粒存留在木头孔隙当中，变成Wd-CALF-20复合材料。

处于不同改性阶段的木制品，从天然（最右）到脱木素（右二）到干燥、漂白和脱木素（左二）和注入MOF的功能性木材（左一）。

此时，木头的体积会缩小，并从亮白色变成乳白色状态，能够开始捕捉空气中的二氧化碳。

论文中提到，一般的MOF是一种二维或三维多孔结晶材料，是主要用于捕捉二氧化碳的固体吸附剂，是一种新开发的碳捕获技术。不过，普通的MOF在潮湿和多变的环境中不够稳定，容易降低它们捕获二氧化碳的能力。

这次实验选用CALF-20来代替一般的MOF，原因是CALF-20拥有出色的优先捕获二氧化碳和不易吸收水汽、氮气的特点。另外CALF-20还有高抗水性和可扩展的性能，且能长期在湿酸性的环境中依然保持良好性能。

另外，科学家们为了评估去木质素的木材（d-Wd）、CALF-20和Wd-CALF-20复合材料的晶体性质，将这些物体放入800°C的高温环境下进行热稳定性评估。

在100°C的情况下，所有样品都会失去5%至10%的重量，其原因是水分的释放。当环境温度提升至320°C时，d-Wd开始出现分解现象，而CALF-20和Wd-CALF-20则在380°C左右开始快速分解和失重，这表明CALF-20比普通的d-Wd更耐高温。

另外，为了证明Wd-CALF-20具有较优异的机械性能，对其进行拉伸和压力实验，发现Wd-CALF-20拥有比d-Wd更强的拉伸模量和强度。Wd-CALF-20可以承受高达75MPa的压力，但d-Wd只能承受50MPa的压力。

研究还发现，若对Wd-CALF-20复合材料进一步压缩、致密化，将获得更好的机械性能。

微藻

微藻包括了一个庞大而尚未开发的生物类群，种类繁多，其生理学和生化特性范围广阔，从微藻中获取生物活性物质，已成为微藻资源开发利用的一大热点。它的种种特性，决定了微藻在医药、食品、水产养殖、化工、能源、环保、农业、航天等领域有着重要的开发价值。

如今，世界各国的建筑师们正在积极探索，将微藻纳入建筑立面的可能性，使其成为创造可再生能源、净化空气的一种新手段。微藻作为一种光合物种，通过光合作用，它们可以吸收二氧化碳并产生氧气。

当微藻被整合到立面中，建筑结构就会成为碳封存和生物燃料生产的载体。随着对微藻的深入研究，在未来，建筑环境可能演变为一个充满活力的生态系统，拥有纯净的空气和绿色的生物燃料。

种植结构板™

（Plantd Structural Panels™）

Plantd是一家革命性的可持续建筑材料公司，将快速生长的多年生草转化为耐用的负碳建筑材料。

Plantd将生产直接替代传统住宅建筑产品的建筑材料，它们也不需要任何替代安装技术。该公司种植快速生长的多年生草，而不是砍伐树木，并开创了减少碳排放的新型生产技术。由此产生的产品称为种植结构板™，能够保留在田间捕获的 80% 的二氧化碳，然后将二氧化碳锁在新房屋的墙壁和屋顶内。

负碳砖GreenJams Agrocrete 

GreenJams公司利用农业残留物如稻草、棉秸、甘蔗渣等和工业大麻制造负碳建筑材料。他们早期的原型产品如下所示。

其产品名为Agrocrete，由升级回收的材料制成。其创始人表示，该产品可以将施工成本降低 50%，隔热性提高 50%，以及减少建造建筑物所需的时间。

农业残留物如稻草、棉秸、甘蔗渣等。用于使Agrocrete与该公司的创新产品BINDR混合。它是波特兰水泥的100%升级回收低碳替代品，由钢铁，造纸和电力行业的工业副产品制成。