喷雾干燥法制备结构稳定性能提升的Li4SiO4多孔空心微球用于高温CO2捕获

为解决固态法制备的Li4SiO4吸附剂CO2捕获性能差的问题，研究人员通过喷雾干燥工艺构建了新型多孔Li4SiO4空心微球。优化了前驱体粉末球磨时间（20 h）和悬浮液固含量（15 wt%），并采用NH4HCO3和KHCO3作为造孔剂与掺杂剂，最终获得的K掺杂样品在15 vol% CO2浓度下展现出0.326 gCO2/gsorbent的高吸附容量和0.261 gCO2/(gsorbent·min)的快速吸附速率，且循环稳定性优异，为商业化碳捕集提供了新思路。

　　

随着化石燃料的大规模使用，大气中CO₂浓度已攀升至419.3 ppm（2023年），加剧了全球气候变化。在碳捕集、利用与封存（CCUS）技术中，高温固体吸附剂因其可直接处理400-650℃工业废气而备受关注。传统CaO吸附剂虽理论容量高达0.78 g_CO2/g_sorbent，但再生温度超过900℃会导致严重性能衰减。相比之下，锂硅酸盐（Li₄SiO₄）凭借0.367 g_CO2/g_sorbent的理论容量、750℃以下的温和再生温度以及更低的系统能耗，成为更具潜力的选择。然而，固态法制备的Li₄SiO₄存在颗粒团聚、传质效率低等问题，严重制约其实际应用。

北京理工大学的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表论文，创新性地采用喷雾干燥工艺对固态法Li₄SiO₄进行改性，成功构建了结构稳定、性能优异的多孔空心微球。研究通过优化前驱体球磨时间（20 h）和悬浮液固含量（15 wt%），确保形成理想空心结构；引入NH₄HCO₃在壳层造纳米孔，并首次利用KHCO₃实现造孔与K掺杂的双重功能。

关键实验技术
研究采用球磨预处理调控粉末粒径，通过Zeta电位分析优化悬浮液稳定性，结合喷雾干燥技术构建空心微球结构，并利用热重分析（TGA）和固定床反应器评价CO₂吸附性能。

主要研究结果

1. 材料制备与表征：20 h球磨使Li₄SiO₄粒径<1 μm，比表面积显著提升；15 wt%固含量悬浮液经喷雾干燥形成规整空心微球，壳层厚度约500 nm。
2. 多孔结构调控：NH₄HCO₃分解产生纳米级孔隙，而KHCO₃同时实现K掺杂（形成Li_4-2xK_2xSiO₄固溶体）和介孔结构构建。
3. 吸附性能测试：K掺杂样品在550℃、15 vol% CO₂条件下，10分钟内达到0.326 g_CO2/g_sorbent的饱和吸附量，较未改性样品提升47%；经20次循环后容量保持率达92%。

结论与意义
该研究通过喷雾干燥法实现了固态法Li₄SiO₄的形貌与性能升级：空心结构缩短CO₂扩散路径，多孔壳层提供丰富活性位点，K掺杂降低Li⁺扩散能垒。所得材料在低CO₂浓度下仍保持优异动力学性能，其工业化友好的制备工艺（无需有机溶剂、可批量生产）为燃煤电厂、钢铁冶炼等行业的碳减排提供了切实可行的解决方案。