多孔硅酸锂材料的制备、表征及高温二氧化碳吸收性能

The capture of CO2 at high temperatures, which is of utmost importance for the reduction of CO2 emissions, is a key and common technology for the direct sequestrate of CO2 from the high temperature flue gases as well as the in-situ removal of CO2 in the chemical process to enhance the productivity. Li4SiO4 materials are promising candidates in the CO2 capture due to their excellent properties in capacity, recycle, mechanical strength, etc. This project aims to increase the surface area and modify the structure of Li4SiO4 to improve the CO2 capture properties of Li4SiO4. Two ways are expected: for the former to synthesize porous Li4SiO4 by the methods such as the starch-assisted carbonation templating method and the evaporation induced self-assembly (EISA) method; for the latter to dope elements (Al, Fe, V etc.) into the Li4SiO4 structure. The CO2 absorption properties of the synthesized Li4SiO4 will be investigated on a thermal-gravity (TG) analyzer as well as the CO2 temperature-programmed desorption (TPD) equipped with an in-situ mass (MS) detector. Additionally, the sorption enhanced steam-methane reforming will be investigated with the synthesized Li4SiO4 materials as the absorbents. Moreover, various characterizations such as TG, electric conductivity measurements, IR, Raman, etc. will be used to study the absorption mechanism of CO2 in the Li4SiO4 materials. Based on that, development of new type absorption materials for CO2 capture at high temperature is anticipated.

高温CO2捕获技术是直接捕获高温烟气中CO2和化工过程中原位移除CO2以提高产物收率的关键共性技术，对降低碳排放具有重要意义。Li4SiO4材料在CO2吸收容量、再生性能及机械强度等方面表现出良好的性能，展示了良好的应用前景。本项目拟从提高Li4SiO4材料表面积和调变Li4SiO4结构两方面入手，提出采用淀粉炭化支撑法、挥发诱导自组装法等多种方法合成多孔Li4SiO4材料，通过掺杂Al、Fe、V等元素调变Li4SiO4结构，以期获得良好CO2吸收性能的Li4SiO4材料。采用TG、CO2-TPD-MS等研究Li4SiO4材料的CO2吸收性能。并将材料应用于吸附增进(SERP)甲烷水蒸气重整制氢反应中以提高氢气的产率。采用TG、电导测试、IR、Raman、等多种表征手段研究CO2在Li4SiO4材料上的吸收机理，并探索制备新型高温CO2捕获材料。

随着温室效应的日益加剧，CO2作为主要温室气体，其排放受到世界范围的广泛关注，控制碳排放已经深入到国家间政治经济活动和人类生活中。Li4SiO4材料在CO2吸收容量、再生性能及机械强度等方面表现出良好的性能，展示了良好的应用前景。本项目从提高Li4SiO4材料表面积和调变Li4SiO4结构两方面入手，尝试了采用挥发诱导自组装法、硬模板等多种方法合成多孔Li4SiO4材料，成功制备了具有较高比表面积的Li4SiO4前驱体，经煅烧后介孔结构消失。考察了不同金属元素掺杂（Fe、Mg、Ce、V）对Li4SiO4材料结构及高温CO2吸收性能的影响，Fe、Ce掺杂可提高材料的CO2吸收性能。研究了湿球磨法制备Li4SiO4材料，制备的纳米Li4SiO4材料在550℃，CO2分压为0.25 bar下，5min内吸收量达到17.2 wt.%，循环使用20次后性能没有明显下降，穿透柱混合气分离实验显示，纳米Li4SiO4材料能很好的捕集CO2，将材料应用于吸附增进（SERP）甲烷水蒸气重整制氢反应中，在550℃，H2O/CH4为4：1，1 bar条件下，反应气体总流速为40 ml/min 时，氢气的最高浓度达到82.6%，从实验上证实了Li4SiO4吸收剂用于吸附增进反应制取高纯氢的可行性。采用三聚氰胺和苯二酚，通过Schiff碱反应制得了密胺基微孔有机聚合物（MBMOPs），采用体积法测量了不同温度下，CO2、CH4及N2在MBMOPs上的吸附等温线，探讨了材料的孔径尺寸与含氮量对吸附质分子作用力的影响。发现在298 K、100 kPa下，对CO2吸附量1.94 mmol/g，在100 kPa下CO2吸附量可达4.89 mmol/g。经炭化后，CO2吸附量进一步提高，CO2吸附量为2.48 mmol/g（@298 K、100 kPa）。穿透柱实验表明制备的密胺基微孔有机聚合物可对CO2-N2和CO2-CH4混合气进行有效分离。本项目进行的Li4SiO4高温二氧化碳吸收剂及密胺基微孔有机聚合物二氧化碳吸附剂的制备、表征及吸附性能研究，对理解CO2气体在高温吸收和常温吸附行为具有重要的科学意义，为不同工况下CO2的捕集和分离提供了一种解决方案。