动力学裁剪废弃生物质衍生多孔碳梯度孔结构实现高效二氧化碳捕获

1成果简介

图1、Schematic illustration for the synthesis process of HPC-x

　　化石燃料燃烧的大量燃烧，导致大气中CO2浓度持续升高，打破原有的平衡性，引发了全球变暖问题，开发一种高效的CO₂捕集材料迫在眉睫。传统多孔碳材料在追求高比表面积和丰富表面官能团之间存在难以兼顾的矛盾，且常用造孔剂具有强腐蚀性、环境不友好等缺点。本文，黄河科技大学常彬彬副教授等研究人员在《Creen Chemistry》期刊发表名为“Dynamic tailoring of the gradient porosity of biomass-derived porous carbons for highly effective CO2 capture”的论文，研究提出了一种创新的动力学活化造孔策略，以CuCl2为绿色可回收造孔剂，利用废弃天然木材制备具有梯度孔结构的分级多孔碳材料。

　　通过调控CuCl2浓度，实现了对材料孔径和表面化学环境的精确调控，系统考察了孔隙结构（尤其是超微孔）和表面氮/氧官能团（如吡啶氮、吡咯氮）对CO2捕获性能的影响。结果表明，优化后的最优材料具有超高比表面积（2856.9 m²·g⁻¹）和丰富的超微孔结构，在273、298和323 K、1 bar条件下CO2捕获量分别达到6.95、4.32和2.07 mmol·g-1，并表现出优异的CO2/N2选择性（最高91）、快速吸附动力学和良好循环稳定性。该工作为绿色、可持续设计高性能碳基CO2吸附材料提供了新路径。

2图文导读

　　本工作开发了一种新颖的动力学活化策略，以废弃天然木材为碳源、CuCl2为动力学造孔剂，成功制备了具有梯度孔结构的分级多孔碳材料。该方法不仅实现了孔径和表面杂原子掺杂的精确调控，同步获得了高比表面积（最高达2856.9 m2 g-1）和丰富的表面官能团，还能实现造孔剂的循环利用，符合绿色化学原则。优化后的材料在273、298和323 K及1 bar条件下，CO2吸附量分别达到6.95、4.32和2.07 mmol g-1，并表现出高CO2/N2选择性（298 K下可达91）、快速吸附动力学和优异的循环稳定性。研究进一步揭示了超微孔（<0.7 nm）在低压吸附中的主导作用，以及吡啶氮和吡咯氮对选择性的显著提升作用，为设计高效多孔碳基碳捕集吸附剂提供了新思路。

图2、Pore structure analysis. (a) N2 adsorption-desorption isotherms of HPC-x. (b) Pore size distribution. (c) The effect of activation agent dosage on surface area. (d) Micropore size of less than 1.0 nm distribution measured by CO2adsorption at 0 °C. (e) Pore volume of different pore size measured by adsorbed N2. (f) Micropore volume of different size (<1.0 nm) measured by adsorbed CO2 at 0 °C.

图3、(a) 13C CP-MAS NMR spectra of HPC-0, HPC-2 and HPC-5. (b) XPS survey spectra of HPC-x. (c) The effect of CuCl2 dosage on N/O contents. (d) O 1s spectra. (e) Schematic of N species doped in carbon skeleton. (f) N 1s spectra.

图4CO2adsorption isotherms of HPC-x at 273 (a), 298 (b) and 323 K (c). The cumulative micropores (<1.0 nm) volume (d).

图5(a) CO2 and N2 adsorption isotherms of HPC-2 at various temperatures. (b) IAST CO2/N2 selectivity of HPC-xsamples at 298 K. (c) The relationship between surface heteroatom content and selectivity. (d) The relationship between different pore volume and selectivity. (e) Isosteric heat of the CO2 adsorption of HPC-x. (f) Adsorption kinetics of HPC-2 at 25 °C. (g) Adsorption-desorption capacity vs time curve at 25 °C. (h) The recyclability of HPC-2 tested at 25 °C

3小结

　　本论文开发了一种创新的动态活化策略，以废弃天然木材为碳源、CuCl2为动态造孔剂，成功制备了具有梯度孔结构的多级孔碳材料（HPCs）。该方法不仅实现了孔径和表面杂原子掺杂的精准调控，同步获得了高比表面积（最高达2856.9 m2 g-1）和丰富的表面官能团，还实现了造孔剂的循环利用，符合绿色化学原则。优化的HPC材料在273、298和323 K、1 bar条件下分别表现出优异的CO2吸附容量（分别为6.95、4.32和2.07 mmol g-1），并具备高CO2/N2选择性（298 K时达91）、快速吸附动力学和良好的循环稳定性。系统研究揭示了超微孔（< 0.7 nm）在低压下主导CO2吸附，而较大微孔和介孔在高压下贡献更大, 吡啶氮和吡咯氮官能团显著提升了吸附选择性。

　　展望未来，该动态活化策略为生物质基多孔碳材料的结构调控提供了新思路，尤其在绿色可持续造孔剂设计与回收方面具有推广潜力。为探索其他金属盐类造孔剂的适用性，优化孔道结构与表面化学的协同机制，并推动该类材料在工业烟气捕获、直接空气捕集等实际场景中的应用验证，为实现碳中和目标提供更高效、低成本的碳捕集材料解决方案。

作者简介：

　　常彬彬，黄河科技学院纳米功能材料研究所，副教授，硕士生导师，河南省本科高校青年骨干教师，河南省教育厅学术技术带头人。主要研究方向为多孔炭基材料的纳米定制及其在能源存储、气体吸附分离等领域的应用研究。先后主持及参与国家自然科学基金项目、河南省教育厅重点科研项目、河南省科技公关项目等各类国家级、省级科研项目10余项。累计以第一或通讯作者在Chemical Science, Green Chem., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Interface, J. Hazard. Mater., J. Colloid Interface Sci.等国际著名期刊上发表SCI学术论文50余篇，入选ESI高被引学术论文4篇，Google Scholar H-index指数30。获河南省自然科学奖二等奖，多篇论文入选河南省自然科学优秀学术论文一等奖，河南省优秀学士论文指导教师。担任国际期刊Characterization and Application of Nanomaterials期刊编委，Carbon Neutralization期刊青年编委。

全文链接：
https://doi.org/10.1039/D5GC03217B

来源：材料分析与应用