多孔固态胺吸附碳纤维的制备及其温室气体吸附性能的研究

Activated carbon fibers are a kind of porous material for highly-effective adsorption of carbon dioxide. Capturing CO2 from the air, the activated carbon fibers have low selectivity for CO2 and resultant low adsorption amount, due to its very low CO2 concentration (~390ppm), the presence of moisture, and the necessity to operate close to room temperature and ambient pressure. Moreover, traditional activated carbon fibers have limited control over the pore structures, which is not beneficial for following functional modification. In this subject, pore-forming agent will be introduced to lead the coagulation and phase separation in the wet-spinning process, which can prepare porous polyacrylonitrile (PAN) fibers with tunable pore structure. After crosslinking, pre-oxidization, and carbonization, the PAN fibers transform to porous carbon fibers. The effect of pore-forming agent on the specific surface area, pore volume, and the pore size distribution of the PAN fibers, as well as the change of pore structure, chemical composition, graphite crystallite, and the conductivity in the heat treatment process will be studied. Based on the conductivity of carbon fibers and the electric charge of polyethylenimine (PEI), the PEI that was selective adsorption of CO2 will be fixed in the porous carbon fibers through electrophoretic deposition. The effect of the structure of PEI and molecular weight on the deposition amount, specific surface area, and the pore structure will be studies. The adsorption and desorption behavior of CO2 on the amine group contained porous carbon fibers will be explored, which aims to realize the synergetic effect of pore structure and amine for CO2 structure, and develops porous materials for selectively capture of CO2 from the air.

活性碳纤维是一种高效吸附CO2的多孔材料。但用于空气中CO2捕捉时，CO2浓度低、有湿度、常温常压等现实导致活性碳纤维对CO2吸附呈现选择性小、吸附量低的不足。且传统的活性碳纤维孔结构调节有限，不利于进一步功能化修饰。因此，项目提出通过湿纺过程中致孔剂介导的凝固相分离制备孔结构可调的聚丙烯腈纤维，并以此为先驱体，经交联、预氧化、碳化制备多孔碳纤维；研究凝固相分离过程中致孔剂对纤维比表面积、孔容及孔分布的影响；及孔结构、碳氮组成、微晶结构和电导率在高温热处理时的变化规律。利用碳纤维导电性和聚乙烯亚胺电荷特性，采用电沉积方法，在多孔碳纤维中实现能选择性吸附CO2的聚乙烯亚胺的固定；研究聚乙烯亚胺结构、分子量对沉积量、比表面积和孔结构的影响。探索多孔固态胺吸附碳纤维对CO2吸附的影响、CO2解吸附的温度效应，以实现多孔结构和固态胺对CO2捕捉的协同增效，开发面向空气中CO2捕捉的选择性吸附材料。

二氧化碳排放是引发人类气候危机的主因。降低二氧化碳排放量已成为全世界必须共同面对的重要任务。二氧化碳捕获、利用与封存是实现温室气体减排的重要途径之一，其中，二氧化碳捕获是首要解决的问题。多孔碳纤维具有独特多孔结构、比表面积大、物理化学性能稳定等优点，是捕获二氧化碳的新型材料。本研究通过在湿法纺丝过程中引入高分子致孔剂以介导聚丙烯腈（PAN）相分离制备多孔PAN纤维，并以此纤维为先驱体材料，经交联、预氧化、碳化获得具有层次孔结构的多孔碳纤维。在PAN纤维制备过程中，探明了凝固浴温度和浓度、致孔剂及后处理对多孔PAN纤维孔结构、化学结构、比表面积的影响，掌握PAN纤维孔结构的调控规律。在多孔碳纤维制备过程中，明确了交联剂浓度、热处理温度对纤维形貌、孔结构、碳氮组成和类石墨微晶结构的影响，阐明孔结构、化学结构和微观结构在热处理过程中的变化规律，获得富氮多孔碳纤维的可控制备；交联剂不仅能够固定先驱体纤维的孔结构，而且交联结构在高温处理时分解可在纤维中引入超微孔结构。通过常温下二氧化碳等温吸附和模拟烟气环境中二氧化碳吸附实验，探索了比表面积、孔容及孔分布、氮含量和含氮官能团对二氧化碳吸附性能的影响，探明吡咯/吡啶酮氮是影响二氧化碳吸附的关键化学结构因素，明确多孔结构和含氮官能团在富氮多孔碳纤维的二氧化碳吸附中协同增效机制。本项目的开展能够为多孔碳纤维应用于二氧化碳减排打下良好的技术基础。此外，本研究立足多孔纤维材料，对PAN预氧化纤维进行浓酸处理，制备了多孔交联的PAN螯合纤维，并探索了其对重金属离子的吸附特性，探明改性PAN预氧化纤维内化学结构与重金属离子的作用机制。纤维经改性后，不仅纤维表面结构而且其内部结构也成为金属离子的作用位点。改性纤维中共轭结构及水解产生的含氮官能团是重金属离子吸附的化学结构来源。此类纤维吸附剂将为重金属分离提供一种新材料。