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近年來，氣候變遷問題日益嚴峻，溫室氣體濃度不斷攀升，而其中的二氧化碳（CO2）是最主要的溫室氣體之一。為了達成減緩全球暖化的目標，科學家們正積極研發各種二氧化碳捕捉技術，其中一項突破性發現便是來自美國加州大學柏克萊分校化學家團隊開發的新型多孔材料──共價有機框架（Covalent Organic Framework，簡稱COF），這種材料能夠高效地從空氣中吸附CO2，有望大幅提升大氣中二氧化碳濃度的降低速度。
COF材料與傳統技術的差異
目前，大多數的二氧化碳捕捉技術主要針對集中式的排放源，例如火力發電廠的煙道氣體，這些技術在處理高濃度CO2時效果卓越。然而，在低濃度的環境空氣中捕捉CO2卻面臨更大挑戰。相較於煙道氣體，空氣中的CO2濃度僅為426 ppm（百萬分比濃度），因此傳統的捕捉技術難以在此低濃度條件下有效運作。然而，為了逆轉CO2濃度的持續上升並達到聯合國氣候變遷框架公約所設定的升溫不超過1.5°C的目標，大氣捕捉（Direct Air Capture，DAC）技術成為不可或缺的解決方案。
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加州大學柏克萊分校的研究團隊開發出的COF材料在此領域取得了突破。這種新型多孔材料具備六邊形的孔道，並且在內部結構中裝飾了多胺（polyamines）化合物，能夠高效吸附CO2分子。與傳統的捕捉技術不同，這種材料即便在高濕度或污染環境下也不會發生性能劣化，顯示出極高的穩定性與持久性。
一種全新的減碳材料：COF-999
COF材料的發明人Omar Yaghi教授是加州大學柏克萊分校的傑出化學家，他與其學生Zihui Zhou設計出了一款名為COF-999的新型材料。COF-999的構造具有極高的穩定性，內部的孔道以碳－碳和碳－氮雙鍵連接，形成了堅固的化學骨架，能在多次的吸附和解吸過程中保持穩定，耐受各種化學污染物。
Yaghi教授指出，COF-999的獨特結構不僅提高了捕捉CO2的效率，還可在現有的碳捕捉系統中直接替換使用，甚至能擴展到煉油廠等其他排放源以去除CO2，並將其儲存於地下，達到減碳的目標。研究發現，僅需200克的COF-999材料，每年便可吸附約20公斤的CO2，這與一棵樹所能吸附的CO2量相當。
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MOF與COF的比較
Yaghi教授自1990年代起便投入二氧化碳捕捉材料的研究，並且創造了金屬有機框架（Metal-Organic Frameworks，MOF）與共價有機框架（COF）兩類材料。MOF材料擁有規律排列的內部孔道，表面積極大，適合用於氣體吸附，例如從空氣中捕獲水分以生成飲用水。然而，MOF材料在應用於DAC技術時仍有一些不足之處，例如在重複的吸附和解吸過程中易發生劣化，特別是內部結構中所含的胺基（NH2）會在鹼性環境下失去穩定性。
為了克服這些挑戰，Yaghi教授與其團隊專門針對DAC需求設計了COF-999材料。與MOF不同的是，COF-999採用了共價鍵連接的骨架結構，具有更高的化學穩定性，能夠在多次循環使用中保持穩定性。此外，COF-999的孔道內壁同樣裝飾了胺基，這樣的設計能夠讓材料捕捉到更多的CO2分子。
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低能耗、可再生的二氧化碳捕捉系統
由於大氣捕捉的能量需求較高，因此降低再生能耗是DAC技術的關鍵。Yaghi教授指出，目前大多數已部署的碳捕捉系統以胺溶液為主，但這類系統必須加熱水來釋放CO2，再生過程需要大量的能量，且胺溶液會隨時間而劣化。相較之下，COF-999材料能夠在較低的溫度下進行再生，在60°C（140°F）左右即可釋放所吸附的CO2，並且在100次循環使用後無明顯性能下降，顯示其卓越的穩定性。
Yaghi教授樂觀地認為，隨著人工智慧技術的發展，未來可以更快速地設計出優化的COF與MOF材料，用於捕捉更多的CO2或進行其他應用。加州大學柏克萊分校的Bakar數位材料研究中心正利用AI技術分析合成材料所需的化學條件，進一步研發低成本、易於佈署的碳捕捉材料，以有效減緩氣候變遷的影響。
未來展望
COF-999材料的成功開發展示了DAC技術的巨大潛力，尤其是在降低全球大氣CO2濃度方面發揮關鍵作用。隨著技術的進一步優化與規模化應用，這類材料將有望取代傳統的高耗能碳捕捉技術，成為減碳技術中的一個重要組成部分。未來，若能廣泛應用於不同的排放源，並結合地下儲存技術，這種材料有可能幫助人類實現負碳排放的目標。
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總結來說，COF-999的高效能、低能耗及可再生性使其成為大氣二氧化碳捕捉技術中的一項重大突破。隨著研究的進展與應用範圍的擴大，我們期待COF材料在減緩氣候變遷上能夠發揮更大的作用，並為達成全球溫控目標貢獻一己之力。
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