交联剂优化胺基水凝胶吸附剂用于CO2捕获的作用机制研究

《Polymer Testing》：Optimization of amine-based hydrogel sorbents for CO 2 capture: The role of crosslinkers

本研究针对胺基水凝胶吸附剂在CO2捕获中交联剂选择缺乏系统研究的问题，通过筛选六种交联剂并重点研究ECH、TTE和GPTMS三种环氧类交联剂，发现GPTMS交联的水凝胶具有最佳机械强度和低湿度条件下CO2吸附性能，为设计高性能水凝胶吸附剂提供了实用指南。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，减少大气中的二氧化碳（CO₂）含量成为迫切需求。在众多碳捕获技术中，胺基固体吸附剂因其再生能耗低、长期稳定性好等优势受到广泛关注。然而，传统的胺浸渍吸附剂存在胺泄漏问题，而共价键合胺吸附剂则因合成工艺复杂导致成本较高。胺基水凝胶吸附剂结合了长期稳定性和简易制备工艺，特别是其高持水能力在潮湿环境中能显著提升CO₂吸附性能，成为极具潜力的解决方案。

这类水凝胶通过交联剂将液态前驱体固化为固态三维网络结构。交联剂在反应过程中会消耗部分胺基，可能降低材料对CO₂的反应活性，但同时又能增强材料的化学稳定性和机械强度。尽管交联剂在胺基水凝胶吸附剂中扮演着关键角色，但如何系统筛选和优化交联剂仍缺乏深入研究。为此，特文特大学的研究团队在《Polymer Testing》上发表论文，通过多维度评价体系揭示了不同交联剂对聚乙烯亚胺（PEI）水凝胶吸附剂性能的影响规律。

研究采用空中微流控（IAMF）技术制备核壳结构水凝胶颗粒，通过CO₂吸附测量、傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析、压缩测试和交联密度测定等方法，系统评价了六种候选交联剂的性能。研究人员首先从文献中筛选出草酸（OA）、二乙烯砜（DVS）、1,3-丁二烯二环氧化物（BDDE）、表氯醇（ECH）、三羟甲基丙烷三缩水甘油醚（TTE）和3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）六种交联剂，基于成本、毒性和工艺性进行初步筛选。最终选择ECH、TTE和GPTMS三种环氧类交联剂进行深入研究。

在CO₂吸附性能研究中，发现4wt%为最佳交联剂浓度。TTE交联的颗粒表现出最高CO₂吸附量（3.2mol/kg），GPTMS次之（2.9mol/kg），ECH最低（2.1mol/kg）。FTIR分析显示ECH交联消耗更多伯胺基，这解释了其较低吸附性能的原因。三种交联剂制备的吸附剂在蒸汽再生条件下均表现出优异的循环稳定性，10次循环后吸附性能保持稳定。

特别值得关注的是低湿度条件下的性能表现。当水含量低于30wt%时，所有样品均出现吸附量急剧下降，但GPTMS交联的颗粒在低湿度下保持较高吸附量，这与其较高的交联密度相关。机械性能测试表明，GPTMS交联的水凝胶具有最高压缩强度（20kPa应力下仅7%应变），显著优于TTE（10%）和ECH（14%）。

交联密度测量结果与机械性能高度一致。GPTMS交联的水凝胶表现出最高交联密度（45mol/m³），而ECH交联的样品交联密度最低（28mol/m³）。研究人员通过反应机理分析指出，GPTMS除环氧基团与胺基反应外，其硅烷基团还能通过水解缩合形成额外的硅氧烷网络，从而构建更致密的交联结构。

本研究建立了交联剂评价的系统方法，证明GPTMS作为交联剂在成本、毒性、CO₂吸附性能和机械强度方面具有综合优势。特别是在低湿度条件下的抗塌陷能力和优异的机械强度，使其更适合实际工业应用场景。该研究为胺基水凝胶吸附剂的理性设计提供了重要指导，推动碳捕获技术向更高效、更经济的方向发展。