极大加速CO2吸附速率！多孔CO2吸附剂帮助快速高效捕获二氧化碳
极大加速CO2吸附速率！多孔CO2吸附剂帮助快速高效捕获二氧化碳
随着全球气候变化问题日益严峻，二氧化碳（CO2）捕获技术的研究变得尤为重要。近日，Cheng Duan等人在Materials上发表了一篇关于开发微孔-大孔碳泡沫（ACRFs）的研究论文，为CO2吸附剂的设计提供了新的思路。
大气中二氧化碳（CO2）量的增加是全球气候变化的一个主要原因，已经引起了CO2捕获技术的发展。许多多孔材料已被用作CO2吸附剂（沸石、金属有机骨架（MOF）、多孔有机聚合物和多孔碳）。多孔碳还具有出色的CO2容量以及出色的化学和物理稳定性，因此备受关注。多孔碳的高CO2容量与大量的微孔体积和杂原子有关。
为了降低吸附剂中的扩散压力，将中孔或大孔引入吸附剂中。聚合物中的大孔结构是通过去除内相产生的，并获得了开孔互连的多孔聚合物整料。
本文说明了使用浓缩乳液开发微孔-大孔碳泡沫（"ACRF"），如方案1所示。
方案1. 微孔-大孔碳泡沫(ACRFs)的制备路线。图片来源：Duan 等人，2021 年。
研究人员最初用浓缩乳液制备了大孔间苯二酚-甲醛树脂（PRFs），后来通过用氢氧化钾（KOH）作为活化剂对PRFs进行碳化来收集ACRFs。
方法
试剂
制造需要间苯二酚和吐温20、甲醛37 wt%水溶液、无水碳酸钠和KOH、甲苯、甲醇和乙醇。
PRF的制备
向100mL烧瓶中加入间苯二酚、甲醛水溶液、无水碳酸钠和去离子水并进行预聚合。冷却后，将所得溶液与吐温20混合，同时加入甲苯。形成浅粉色乳液，随后将其转移到模具中并固化。在此过程中获得PRF，甲苯液滴同时留下独特的开孔大孔。
ACRF的制备
PRF整料的碳化通过将它们置于管式炉中并加热来进行，然后将预碳化的PRF在溶解有KOH的水/甲醇溶液中浸泡3小时。碳化一小时后，形成ACRF。
表征
研究人员分析了傅里叶变换红外光谱（FT-IR）光谱、X射线光电子能谱（XPS）。通过扫描电子显微镜观察PRFs和ACRFs中的大孔。研究人员还测量了N2吸附-解吸等温线、样品的比表面积、孔径分布、CO2吸附等温线、拉曼光谱、X射线衍射（XRD）。
结果和讨论
ACRFs的碳化过程
KOH在碳化过程中用作活化剂时，会在所得碳中产生更多的微孔。但由于水解难以在PRFs中加载KOH溶液，因此PRFs最初在低温下碳化，然后可以用KOH水溶液浸渍所得大孔碳并在所需温度下进一步活化。
图1显示了用于确定预碳化温度和活化温度的TGA/DTA曲线。
图1. PRF-50C-85% 在氮气流下的TGA和DTG曲线。图片来源：Duan 等人，2021 年。
多孔ACRF中的氧气
ACRF-50C-85%-600、ACRF-50C-85%-700和ACRF-50C-85%-800的XPS光谱用于分析这些碳的表面化学状态（图2），并表明ACRF是富氧的。
图2. 所有ACRF (A) 的X射线光电子能谱(XPS)光谱和ACRF-50-85%-600 (B)、ACRF-50-85%-700 (C)和ACRF的O 1s峰的解卷积-50-85%-800 (D)。图片来源：Duan 等人，2021 年。
ACRF的孔隙率
图3描绘了PRFs和ACRFs的大孔形态。在PRF的情况下，多孔材料的SEM显示出许多紧密堆积的空腔（"空隙"）通过小孔（"窗口"）与相邻的空腔相互连接。ACRF-50C-80%-800、ACRF-50C-85%-800和ACRF-40C-85%-800具有相应PRF的大孔结构。
图3. PRF和相应ACRF的扫描电子显微镜(SEM)图像。图片来源：Duan 等人，2021 年。
图4显示了所有ACRFs的N2吸附-解吸等温线，结果表明ACRFs中有丰富的微孔。
图4. ACRF在77 K时的N2吸附-解吸等温线。图片来源：Duan 等人，2021 年。
微孔在所有ACRF中占主导地位，并且主要是超微孔（尺寸低于0.7 nm）（图5）。
图5. ACRF的孔径分布。图片来源：Duan 等人，2021 年。
ACRF在1 Bar时的CO2容量
图6显示了所有ACRF的CO2吸附等温线。同列于表1。
图6. ACRF在273 K时的CO2容量。图片来源：Duan 等人，2021 年。
表1. ACRF的比表面积、孔体积和CO2容量。资料来源：Duan等人，2021 年。
图7显示了CO2容量与孔隙率的关系。超微孔的高吸附潜力可能是决定1 bar下CO2容量的因素。
图7. CO2容量与总孔体积(A)、微孔体积(B)和超微孔体积(C)之间的关系。图片来源：Duan 等人，2021 年。
氧含量对ACRFs CO2容量的影响
分析了氧含量对ACRFs的CO2容量的影响，结果解释表明ACRFs中氧的增加改善了碳表面与CO2分子之间的相互作用。这对于ACRF在低压下捕获CO2很重要。
大孔对ACRFs CO2吸附动力学的影响
图8描绘了ACRF-30C-85%-800和ACRF-40C-85%-800的CO2吸附动力学。分析还证实了大孔对CO2吸附动力学的加速作用。
图8. ACRF-40C-85%-800和ACRF-30C-85%-800的CO2吸附动力学比较。图片来源：Duan 等人，2021 年。
ACRF-40C-85%-800的CO2吸附性能
对ACRF-40C-85%-800的CO2吸附行为进行了更多的分析。CO2吸附动力学如图9所示。
图9. ACRF-40C-85%-800的CO2吸附动力学。图片来源：Duan 等人，2021 年。
表2显示了CO2吸附的动力学模型参数。
表2. CO2吸附的动力学模型参数。资料来源：Duan等人，2021 年。
动力学数据也用微孔扩散模型进行了分析。通过在273 K下CO2和N2的吸附等温线测量对N2的CO2选择性吸附（图10A）。结果表明竞争吸附机制。结果表明，它们倾向于通过N2吸附CO2，并且可以从混合气体进料流中选择性地通过N2捕获CO2。
图10. ACRF-40C-85%-800在273 K(A)下的CO2和N2吸附等温线；ACRF-40C-85-800在298K下CO2/N2的穿透曲线(B)；ACRF-40C-85%-800在298 K下的CO2容量为六个循环(C)。图片来源：Duan 等人，2021 年。
ACRF-40C-85%-800的再现性显示出与第一次循环相同的容量，即使在第六次循环后显示出良好的再现性。
图11. ACRF-40C-85%-800的CO2吸附等温线(A)和CO2吸附热(B)。图片来源：Duan 等人，2021 年。
结论
本文提出了一种制备具有大孔和微孔的整体式碳（ACRFs）的策略。微孔是由KOH的活化作用产生的，而大孔是由大孔前体产生的。
ACRFs中的大孔加速了CO2的吸附速率。ACRFs还表现出中等的CO2吸附热和选择性吸附能力。假设ACRFs具有转化为具有优异综合性能的CO2吸附剂的潜力。