低温氮等离子体改性碳纳米管吸附二氧化碳的基础研究

开发二氧化碳高效吸附剂，对于我国履行二氧化碳减排具有重要的现实意义。与吸收法和膜分离等方法相比，吸附法具有能耗低、适应性强、使用周期长、无腐蚀等优点，被认为是较有应用前景的二氧化碳捕集方法。氨基改性碳纳米管具有高选择性、易再生的特点，是一种优良的二氧化碳吸附剂，然而常规的湿法改性存在氨基热稳定性差、吸附剂纳米孔道易被堵塞、氨基数量与分散度难以兼顾等问题。申请人提出采用低温氮等离子体改性碳纳米管，通过控制等离子体放电过程，利用放电产生的活性物质轰击碳纳米管，在其表面生成大量分散的、稳定的氨基碱性基团，从而提高碳纳米管对二氧化碳的吸附能力。本项目将重点研究氮等离子体对碳纳米管表面氨基官能团的调控规律、改性碳纳米管对二氧化碳的吸附行为、碳纳米管表面氨基官能团结构与二氧化碳吸附行为间的构效关系。本项目的开展，将为制备二氧化碳捕集材料提供新思路和新方法，研究成果将对我国二氧化碳减排具有重要意义。

课题按照研究计划进行，围绕等离子体放电-碳纳米管表征与吸附性能-二氧化碳与氨基作用的模拟开展：.1等离子体放电过程调控.为了有效调控等离子体放电过程，实现稳定放电，开发了液层电阻阻挡放电表面反应器，将高压极和地电极都安装于液面上，构成液层电阻阻挡放电反应器，增大等离子体与液面的接触面积，有利于自由基的产生和控制。首次采用发射光谱技术研究等离子体放电形式对自由基产生的影响，流注放电的发射峰集中在紫外区(200-400 nm)；而火花放电发生，可见区和近红外区的发射峰开始变得明显(400-900 nm)。等离子体放电可以产生N自由基，而且含氧自由基会有助于氮改性反应的进行。.2改性碳纳米管的表征及吸附CO2过程研究.1）SEM图表明氧化作用有助于打开碳纳米管且获得更大的比表面积，从而有助于氨基官能团嫁接到碳纳米管的表面。通过XPS分析了三种重要的三种氮的形式。.2）吸附性为研究.① 热力学行为研究：原始MWCNTs为物理吸附剂，为分子间作用力，随着温度的升高会有部分的CO2受热脱附。但是氨基改性碳纳米管对CO2的吸附过程是放热可逆反应，所以升温会使反应逆向进行，使吸附量变小。② 动力学行为研究：选取烟道气中的CO2特征浓度15%为研究对象来测试改性MWCNTs的吸附量，考察吸附穿透曲线，吸附量达到57.6 mg/g。③ 脱附再生研究：温度低时，吸附的CO2分子获得的能量少，因此仅有少量作用力较弱的CO2脱附，随着温度继续升高，被吸附的CO2获得的能量会持续增大而开始大量脱附。对改性碳纳米管进行吸附/脱附再生，在经历10轮吸附/脱附循环之后，表明吸附剂再生稳定性。.3.氨基官能团与CO2作用的分子动力学模拟.1）不同氨基官能团与CO2结合物的稳定性研究，结果表明空间位阻系数越大，与N原子连接基团的体积就大，使得胺与CO2 反应生成反应中间产物的稳定性变差，因此小分子氨官能团吸附CO2更容易。2）不同氨基对CO2在CNT孔道中输运的影响：采用经典的L-J 模型描述CO2与氨基间的作用关系。表明，二氧化碳吸附容量与氨基浓度成正比，而且不同氨基种类结合二氧化碳分子数量不同。 3）量子化学模拟： B3LYP活化能关系为 Pedge (NH2)>Q(N)>PSurface(NH2)。上述理论计算的结果与实验现象一致。.培养研究生3名，发表SCI论文4篇，EI论文1篇，申请发明2项。