新型木材吸收二氧化碳 更堅固耐用且環保

美國一所大學最近研發出一種工藝，可將捕捉的二氧化碳壓入木材當中，使木材變得更加堅固耐用且環保。

以材料科學聞名的美國百年老校——萊斯大學（Rice University），將木材處理成含有多孔結晶的新複合材料，不僅能吸收空氣中的二氧化碳，還能增強機械性能變得更堅固。該項研究成果2023年2月發表在ScienceDirect網站的《細胞報告物理科學》期刊（Cell Reports Physical Science）上。

木材主要由纖維素、半纖維素和木質素這三種成份構成。研究人員為了增加木材中的毛細孔率，將木材放入氫氧化鈉（NaOH）和亞硫酸鈉組成溶液中，去除木材中的木質素使其變成無色。 

隨後使用漂白劑或雙氧水去除半纖維素，最終留下木頭中的原始纖維素，讓木頭變成亮白色，且體積縮小至原本的50%。

接下來，他們將處理過的木材泡在CALF-20類型的金屬有機骨架（MOF）溶液當中，並放到80°C的環境下進行真空乾燥過夜，以實現CALF-20結晶微粒存留在木頭孔隙當中，變成Wd-CALF-20複合材料。

此時，木頭的體積會縮小，並從亮白色變成乳白色狀態，能夠開始捕捉空氣中的二氧化碳。

論文中提到，一般的MOF是一種二維或三維多孔結晶材料，是主要用於捕捉二氧化碳的固體吸附劑，是一種新開發的碳捕獲技術。不過，普通的MOF在潮濕和多變的環境中不夠穩定，容易降低他們捕獲二氧化碳的能力。 

這次實驗選用CALF-20來帶替一般的MOF，原因是CALF-20擁有出色的優先捕獲二氧化碳和不易吸收水氣、氮氣的特點。另外還有高抗水性和可擴展的性能，且能長期在濕酸性的環境中依然保持良好性能。 

另外，科學家們為了評估去木質素的木材（d-Wd）、CALF-20和Wd-CALF-20複合材料的晶體性質。將這些物體放入800°C的高溫環境下進行熱穩定性評估。 

在100°C的情況下，所有樣品都會失去5至10%的重量，其原因是水份的釋放。當環境溫度提升至320°C時，d-Wd開始出現分解現象，而CALF-20和Wd-CALF-20則在380°C左右開始快速分解和失重，這表明的CALF-20的分解，但比普通的d-Wd更耐高溫。

另外，為了證明Wd-CALF-20具有較優異的機械性能，對其進行拉伸和壓力實驗，發現Wd-CALF-20擁有比d-Wd更強的拉伸模量和強度。Wd-CALF-20可以承受高達75MPa的壓力，但d-Wd只能承受50MPa的壓力。

報告中還提到，若對Wd-CALF-20複合材料進一步壓縮、緻密化，將獲得更好的機械性能。

萊斯大學材料科學和納米工程的研究人員、該研究的主要作者蘇摩婆·羅伊（Soumyabrata Roy）向萊斯大學新聞室解釋說，「普通的MOF在不同的環境條件下都不是很穩定，在於它們很容易受潮，因此不少人不希望它們出現在結構材料中，但CALF-20卻能夠在各種環境條件下的使用。」

他說：「CALF-20顆粒很容易融入纖維素孔隙中，並有利於附著在纖維上面。目前，還沒有可生物降解的、且能持續的吸附材料來吸收二氧化碳，因此這次選用CALF-20來增強木材適應性。」

萊斯大學材料科學助理教授穆罕默德·拉赫曼（Muhammad Rahman）也對萊斯大學新聞室表示，「普通的木材是一種可持續、可再生結構材料，而我們的工程木材則比那些普通未經處理的木材擁有更高的強度。」

拉赫曼說，「金屬或水泥等結構材料的製造是工業碳排放的主要來源，就使用的物質和加工副產品而言，我們的工藝更簡單且更環保。」目前該項實驗獲得美國空軍研究實驗室的支持。@

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