SPT|使用含有石墨烯的低共熔溶剂的高效太阳能驱动温室二氧化碳捕获系统

研究背景

随着人口的不断增长和生活水平的提高，对农产品的产量和质量提出了更高的要求，需要更加稳定的生产环境。温室可以保护农作物免受极端天气条件的影响，与室外种植相比，提供更适合生长的环境。然而，尽管温室有诸多优点，但在这些受控环境中种植的作物仍然面临挑战，特别是在维持最佳二氧化碳浓度方面。由于栽培空间的封闭性以及白天持续的光合作用过程，作物消耗温室大气中的二氧化碳。这通常会导致二氧化碳浓度降低至250 ppm以下，这对于植物生长来说可能不是最理想的。特别是在夜间，农作物通过呼吸作用释放的二氧化碳浓度比温室外环境水平高出约3至4倍。另一方面，二氧化碳浓度过高会引发作物气孔关闭，导致气孔导度降低和植物过早衰老。因此，调控温室CO 2浓度是保障农作物高产高效的有效措施。近年来，碳捕获和利用（CCU）技术已成为调控温室CO 2浓度的一种有前途、具有成本效益且环境友好的方案。其中，DES作为一种新型绿色吸收剂在CO 2捕获和利用领域显示出巨大潜力。然而，大多数研究主要集中在CO 2吸收能力上，而对DES解吸能力的研究很少。有研究表明温度对CO 2解吸有显著影响。因此，研究人员建议将具有更高光热转换效率的材料纳入DES，以优化系统的热行为并加快CO 2吸收-解吸循环。石墨烯作为一种黑色二维纳米材料，具有高导热率和优异的光子捕获能力，使其适合提高纳米流体的光热转换性能。在过去的几年里，这一领域取得了重大进展。因此，上海第二工业大学于伟教授团队将RGO分散到ChCl-MEA DES中制备GNF。该过程首先通过ChCl和MEA通过氢键自组装来制备DES。随后，在超声处理的影响下，RGO与DES充分混合形成GNF。DES的化学吸收和RGO的物理吸附的协同效应显著提高了GNF的CO 2吸收能力。此外，RGO的引入将黄色透明DES转化为黑色GNF，放大了其光热转换效率，足以达到解吸温度。

相关成果以“Efficient solar-driven carbon dioxide capture system for greenhouse using graphene contained deep eutectic solvents”为题发表在国际知名期刊《Separation and Purification Technology》(JCR一区，中科院一区TOP，IF= 8.6)上。

研究结论

研究人员鉴于现有二氧化碳补充方法存在复杂系统、高能耗和安全问题等普遍局限性，首次提出了一种新颖的“太阳能驱动二氧化碳捕获系统”，其中高光热转化率材料被纳入低共熔溶剂（DES）中。首先，研究人员利用RGO卓越的光热转换能力，采用纯DES作为基液，制备了不同质量分数（100ppm、200ppm、300ppm、400ppm、500ppm、600ppm）的GNF并评估了其性能。主要发现如下：

（i）RGO的添加显著提高了纳米流体的光热转换效率，DES-500的光效率达到94.3%，是纯DES的2.9倍。此外，当暴露在阳光下时，纳米流体的温度从54.7°C显著上升至75.9°C，从而能够有效解吸CO2。

(ii)RGO表面的缺陷位点和活化位点为CO2提供了大量的吸附位点。其中，DES-500的吸收容量最高，为0.399g/g，超过纯DES的1.4倍。

(iii)由于DES-500优异的光热转换效率和CO2吸收-解吸能力，在温室环境中显示出巨大的应用潜力。白天，随着温室内温度逐渐升高，DES-500有利于二氧化碳在较长时间内逐渐释放，有利于作物生长。相反，在夜间气温下降时，DES-500会主动吸收作物释放的二氧化碳，确保二氧化碳的高效利用。

(iv) 温室内的相对湿度也对DES-500的CO2吸收能力有显著影响。较高的相对湿度促进二氧化碳的吸收。当湿度为80%RH时，CO2吸收能力可达0.65g/g，比50%RH时提高1.4倍。

研究数据

图1 低共熔溶剂和石墨烯纳米流体的制备过程。

图 2.纯低共熔溶剂吸收-解吸CO2时涉及的化学反应。

图 3. (a) ChCl、MEA和纯DES的FT-IR 光谱。(b) CO2吸收和解吸的简化图。(c) 纯 DES 吸收CO2之前和之后的13C NMR谱。(d) 纯DES吸收CO2之前和之后的FT-IR光谱。(e) 纯DES在不同温度下对CO2的吸收-解吸能力。

图 4.(a) RGO的SEM图像。(b) 纯DES和GNF的吸收能力。(c) 示意图描绘了CO2与RGO孔隙位点之间的接触。(d) DES-600超声处理前后的CO2吸收能力。(e) FT-IR光谱，(f) DES-500吸收CO2之前和之后的13C NMR光谱。

图 5. 不同GNF的 (a) 透射光谱、(b) 消光系数、(c) 反射光谱、(d) 吸收光谱、(e) 光谱辐照度和(f) 太阳加权吸收分数。

图 6. (a) 使用DES-500在温室中进行CO2循环的示意图。DES-500在干燥环境和各种湿度环境下的(b) 吸水能力和(c) CO2吸收能力。(d) 有/没有作物的DES-500的吸收和解吸循环。

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125754

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