氮掺杂微介梯度孔炭材料的设计、可控制备及其CO2吸附性能研究

Global warming aroused from the greenhouse effect is a hot topic, and the effective CO2 capture for achieving carbon reduction is a crucial matter to inhibit the greenhouse effect. Pressure swing adsorption (PSA) has low energy-consumption and non-corrosion properties in the application of CO2 capture which attracted much attention, and the key for PSA is to obtain a porous adsorbent with high performance. Porous carbon materials encompassing the desired attributes such as adjustable textural structures and physicochemical stability can be applied as an ideal media for CO2 adsorption and capture. In particular, nitrogen-containing carbon materials with hierarchical micro-mesoporous structures will play a synergistic effect during gas sorption for each pore size structure and nitrogen-functional groups. With the aim to develop efficient porous adsorbents for CO2 adsorption, the zoelite-template method combined with chemical vapor deposition and activation will be adopted in this research to synthesize high-surface-area nitrogen-containing hierarchical micro-mesoporous carbons with controllable pore structures, and then effects of preparation parameters on microstructures of hierarchical micro-mesoporous carbons, and their corresponding CO2 adsorption performance will be systematically studied. Through the implement of CO2 adsorption-desorption experiments on these hierarchical micro-mesoporous carbons, this research will effectively establish the structure-activity relationship between CO2 adsorption performance and pore structures, surface area, nitrogen functional groups of carbons and the external operating temperature and pressure. Doing this project will help us to exploit novel materials of nitrogen-containing hierarchical micro-mesoporous carbons, and simultaneously provide theoretic basis and experimental data for the future exploration on the practical method for CO2 capture and separation.

温室效应导致的全球变暖是社会关注的热点，有效捕集CO2实现碳减排是遏制气候变暖的关键。变压吸附法捕集CO2具有无腐蚀和低能耗等特性而备受关注，其关键是获得高性能吸附剂。多孔炭具有孔结构可调、物化性质稳定等优点可作为CO2吸附存储的理想材料，特别是具有微介梯度孔道结构的氮掺杂炭材料吸附时能发挥各孔径纳米结构和氮官能团的的协同作用。本项目以开发高效CO2吸附剂为目标，拟用分子筛模板法构筑具有微介梯度孔道结构的氮掺杂炭材料并通过活化工艺实现梯度孔道结构的智能调控，研究工艺参数对炭材料微结构的影响及其对CO2吸附性能的制约关系；通过不同温度压力下的CO2吸附-脱附实验，建立CO2吸附性能与微介梯度孔炭材料的孔结构、比表面积、氮官能团及外围温度压力之间的构效关系。本研究不仅能构筑新型可控氮掺杂微介梯度孔炭材料，实现材料创新，同时为探索一条实用的CO2捕集分离方法实现碳减排提供理论基础和实验数据。

氮掺杂多孔炭材料是一类具有应用前景的CO2固态吸附剂，然而关于炭质吸附剂用于CO2吸附存储还有很多问题需要去探讨和回答，特别是多孔炭吸附剂结构和表面氮官能团与CO2吸附量之间的构效关系还有待深入研究。本项目制备了几种具有不同表面化学特性和孔径分布的多孔炭材料，对其结构进行详细表征并研究CO2吸附性能。首先，我们以10X分子筛为硬模板通过两步法气相沉积工艺制备高度有序的微孔炭材料，在此基础上以三聚氰胺为氮源进行高温缩聚反应并通过KOH化学活化有效调控比表面积和孔径分布。测试结果表明这种氮掺杂分子筛模板炭材料比表面积达1968m2/g,平均孔径为2.22 nm，但CO2吸附结果表明常压0°C时的CO2吸附量并不太理想(仅3.57mmol/g)，可能是孔径尺寸较宽与CO2分子作用力较小导致吸附量较低。第二，我们以生物质废弃物莲杆为碳源经水热碳化和KOH活化过程制备了比表面积达2893 m2/g的多孔炭材料，测试结果表明常压0°C时比表面积2091m2/g样品上的CO2吸附量高达6.17mmol/g，该吸附量在已有报道中属于较高水平，而在比表面积2893m2/g样品上的吸附量为4.61mmol/g，对比后发现这种差异因孔径分布引起，证实吸附剂具有较窄孔径分布时在常压下能够获得较高CO2吸附量。第三，我们以生物质浒苔为碳源经水热碳化反应和KOH活化制备了比表面积达1979m2/g且微孔率丰富的氮掺杂炭微球材料，测试结果表明常压0°C时比表面积1528m2/g样品上的CO2吸附量达5.98mmol/g，特别是在25°C时的CO2吸附量高达3.98 mmol/g，而比表面积1979m2/g样品上0°C时的吸附量为4.58mmol/g，进一步证实具有较窄孔径分布在常压下能够获得较高CO2吸附量，同时氮掺杂浓度也能有效增加吸附量。以上实验结果都证实常压下多孔炭材料CO2吸附量并非由传统意义上的比表面积和孔体积来决定，而主要由孔径分布和氮掺杂官能团决定，这一结论为多孔炭质吸附剂的合理设计提供依据。另外，我们还将这些氮掺杂多孔炭材料应用于电化学储能领域，结果显示将这些氮掺杂多孔炭材料作为电极材料在超级电容器方面具有巨大的应用潜力。总的来说，在基金项目支持下该研究计划取得了一些有意义的结论，目前该项目顺利完成，主要成果体现为培养了1名毕业研究生并发表高水平SCI论文10篇.