气候变化是当今全球面临的最紧迫挑战之一，而大气中二氧化碳浓度的持续上升是导致这一现象的主要因素。
碳捕获、利用与封存技术是应对化石燃料排放的重要方案之一。该技术探索通过各种方式捕获二氧化碳，防止其进入大气。
碳捕获可通过液体化学吸收、膜分离以及使用固体材料的吸附等过程实现。其中，吸附是指一种物质附着在另一种物质表面。工业界长期使用这些方法，让特定气体通过，同时阻挡或过滤掉其他气体。然而，这些过程面临能耗高、开发成本高、制备工艺复杂等挑战。一种有前景的策略是使用多孔碳作为二氧化碳吸附剂。这些材料含有微小孔隙，能够将二氧化碳吸附在其表面。但这类吸附剂的开发往往涉及使用腐蚀性和有毒材料，产生废水，并需要严格管理以防止环境污染。
为解决这一问题，印度理工学院甘地纳加尔分校的研究人员提出了一种低成本、可持续且可规模化的方案 —— 利用牛粪制备多孔碳材料。相关成果已发表于《Surfaces and Interfaces》。
印度人认为，牛粪是一种可再生资源，在印度等畜牧业发达的国家每天都有大量产出。在许多农村地区，牛粪通常被用作肥料和炊事燃料。而在这项研究中，牛粪成为制备用于环境修复的先进功能材料的高价值生物质前体。
研究人员通过工程化手段制备了氮掺杂多孔碳，这是一种能够吸附二氧化碳的材料。制备过程将牛粪与三聚氰胺（提供氮源）以及碳酸氢钾混合。碳酸氢钾是一种绿色、低腐蚀性且有效的活化剂，用于制造高表面积材料。混合物在无氧条件下于炉中高温加热，这一过程称为热解，最终得到能高效捕获二氧化碳分子的氮掺杂多孔碳。材料中掺入的氮增强了其对二氧化碳的吸引能力。研究人员还通过详细的分子级模拟验证了实验制备的材料，这些模拟方法能够揭示原子和分子随时间的运动规律，探索其可能的构型与性质。
研究人员通过改变牛粪与三聚氰胺（提供氮源）的比例制备了不同材料。性能最优的材料被命名为 NDPC-1，其氮含量为 2.95%，比表面积高达 1153 平方米每克。这一数据意味着，一克这种材料铺开后足以覆盖多个网球场。NDPC-1 的性能比未活化的纯热解牛粪碳高出 58%。该材料还表现出优异的循环稳定性，即在 10 次吸附-脱附循环后仍能保持初始的二氧化碳捕获能力。
研究团队采用实验与模拟相结合的方法，深入揭示了材料性能的机理。通过反应分子动力学模拟和巨正则蒙特卡洛模拟，结合实验，阐明了控制二氧化碳吸附的结构-性能关系。这一框架为理解氮官能团、孔隙结构等特征提供了更深入的机制认知，也为开发具有优化织构和化学性质的高性能多孔碳铺平了道路。
从气候效益和实际应用前景来看，NDPC-1 具有有效捕获二氧化碳的潜力。这类材料若与可再生能源技术结合，将在降低工业碳足迹的同时实现资源更好利用。该材料也契合循环经济理念 —— 将废弃物再利用创造有价值的产品。
值得一提的是，这种材料的单步干法合成工艺简单，减少了化学品使用和加工成本。其在 30°C 下具有良好的吸附容量和优异的再生稳定性，使其成为适合大规模部署的平价选择。相较于大多数需要在高温（400–700°C）下选择性吸附二氧化碳的固体吸附剂，NDPC-1 的低温吸附能力是一大显著升级。此外，极少的废水产生和使用温和的活化剂，使整个工艺具有环境可持续性。
