GO/MgO/PEI复合材料的合成与性能增强用于CO2捕集：操作参数的影响及其机制研究

为解决日益严重的CO2排放导致的全球变暖问题，研究人员开展了GO/MgO/PEI复合材料用于高效CO2捕集的研究。通过优化温度、压力和PEI浓度等参数，该复合材料在298 K和8.7 bar条件下实现了291.70 mg/g的最大吸附容量，且经过20次循环后仍保持69%的吸附效率。这项研究为开发高性能、可再生的CO2吸附剂提供了新策略，对工业碳捕集应用具有重要意义。

　　

随着全球CO₂排放量持续攀升，2023年已达到35.8 Gt CO₂，开发高效碳捕集技术已成为应对气候变化的紧迫任务。在多种CO₂捕集技术中，吸附法因其高选择性、大吸附容量和能量效率高的再生特性而备受关注。然而，现有吸附材料仍面临吸附容量有限、再生性能不佳等问题。为此，研究人员将目光投向新型复合材料的设计与开发。

在这项发表于《Journal of CO2 Utilization》的研究中，来自伊朗设拉子大学先进技术学院的Seyed Ghasem Rezvannasab、Navid Safari和Abdol Mohammad Ghaedi研究团队创新性地将氧化石墨烯(GO)、氧化镁(MgO)和聚乙烯亚胺(PEI)相结合，开发了一种新型GO/MgO/PEI复合吸附剂，并系统研究了其CO₂捕集性能。

研究人员采用简化的Hummers法制备GO，通过水热法合成MgO纳米颗粒，最后通过溶液混合法制备GO/MgO/PEI复合材料。研究采用Box-Behnken设计(BBD)和响应面法(RSM)优化操作参数，并通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、热重分析(TGA)和BET比表面积分析等技术对材料进行系统表征。CO₂吸附实验使用体积法装置在1-9 bar压力和298-328 K温度范围内进行。

3.1. 表征分析

XRD分析显示GO在11.2°出现特征衍射峰，MgO在37°、43°、62°和78°显示与标准JCPDS #89-7746相符的衍射图案。复合材料的衍射峰强度减弱，表明结晶度降低。FTIR光谱证实了PEI成功负载到GO/MgO基底上，显示了酰胺键的形成和表面羟基的减少。BET分析表明PEI的引入导致比表面积和孔体积减小，平均孔径增大，这是由于胺分子堵塞了部分孔道。FE-SEM图像显示了GO的层状结构和MgO纳米颗粒在GO片上的均匀分散。TGA分析证明CO₂吸附过程是可逆的，大部分CO₂在373-573 K之间脱附，表明材料可在温和条件下再生。

3.2. RSM-BBD优化

采用响应面法中的Box-Behnken设计优化了温度、压力和PEI浓度三个关键参数。方差分析(ANOVA)显示模型具有高度显著性(F-value = 143.30, p < 0.0001)，R2值达到0.9946，表明模型与实验数据高度吻合。优化得到的最佳条件为：温度298.30 K、压力8.71 bar、PEI浓度3.24 wt%，预测最大吸附容量为298.06 mg/g，实验验证值为291.70 mg/g，两者高度一致。

3.3. 吸附模型研究

等温线研究表明，Sips模型(R2 = 0.998)最能描述CO₂吸附行为，表明吸附过程具有表面不均匀性和多层吸附特征。动力学分析显示伪二级模型(R2 = 0.993)拟合最佳，表明化学吸附是速率控制步骤。热力学分析得到ΔH° = -21.9 kJ/mol，ΔS° = -57.0 J/mol·K，ΔG°在298 K时为-4.91 kJ/mol，表明吸附是自发的放热过程，且以物理吸附为主。

3.4. 再生性能评估

循环实验显示，复合材料在经过10次吸附-脱附循环后仍保持96%以上的初始吸附容量，20次循环后仍保持69%的容量。Zeta电位测试表明，循环使用后材料表面电位从+13.3 mV降至+3.4 mV，这归因于表面PEI胺基团的损失或重排，是吸附性能下降的主要原因。

该研究成功开发了一种新型GO/MgO/PEI复合吸附剂，在温和条件下表现出卓越的CO₂吸附性能。材料的最大吸附容量达到291.70 mg/g，远高于许多已报道的吸附材料。通过RSM-BBD优化获得了最佳操作参数，并通过系统的模型研究揭示了吸附机制。复合材料展现出的良好再生性能为其工业应用提供了有力支持。这项研究不仅为高性能CO₂吸附剂的设计提供了新思路，也为碳捕集技术的实际应用提供了有前景的解决方案，对应对全球气候变化具有重要意义。