氮/氧杂原子与孔结构对多孔生物炭CO?吸附性能的协同增强作用：实验与密度泛函理论（DFT）模拟

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Synergistic enhancement of CO 2 adsorption performance of porous biochar by N/O heteroatoms and pore structure: Experiment and DFT simulation

表面改性提高生物炭CO2吸附性能是关键策略。本研究采用硝酸浸渍与KOH化学活化协同调控孔隙结构及表面官能团，系统探究硝酸浓度对异原子掺杂和孔隙构型的影响。通过实验表征与密度泛函理论计算，揭示了孔隙结构与表面官能团协同增强CO2吸附的机制。优化材料在25℃、1bar下吸附容量达4.82mmol/g，超微孔（<0.7nm）填充率达80%以上。该协同调控策略为环境友好型碳捕获材料开发提供新思路。

　　在当前全球气候变化日益严峻的背景下，二氧化碳（CO?）的减排和捕集技术受到了广泛关注。作为主要的温室气体之一，CO?的持续排放加剧了极端气候事件的发生频率，给生态环境和人类社会带来了深远的影响。为应对这一挑战，各国纷纷采取措施减少碳排放，并推动碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的发展。其中，吸附技术因其低能耗、高再生性以及较长的生命周期而受到越来越多的关注。尤其是在物理吸附领域，通过优化吸附材料的表面结构和化学特性，可以显著提升其对CO?的吸附能力。

近年来，生物炭因其来源广泛、成本低廉、结构可调性好等特点，被广泛研究用于CO?吸附。生物炭是一种由生物质经热解等工艺制备的多孔碳材料，具有较高的比表面积和丰富的孔隙结构，能够有效捕集CO?。然而，传统的生物炭在CO?吸附性能方面仍存在一定的局限性，例如吸附容量较低、选择性不足等。因此，如何通过表面改性和孔隙结构调控来提升生物炭的CO?吸附能力，成为当前研究的重点。

本研究以松子壳为原料，通过硝酸（HNO?）溶液浸渍和氢氧化钾（KOH）化学活化相结合的方法，对生物炭进行表面改性，从而实现对CO?吸附性能的提升。这一策略不仅考虑了表面功能团的引入，还对孔隙结构进行了调控，旨在揭示表面异原子掺杂与孔隙结构之间的协同效应。通过实验表征与密度泛函理论（DFT）计算相结合，研究团队对改性后的生物炭的CO?吸附性能进行了深入分析，探讨了不同HNO?浓度对异原子掺杂和孔隙结构的影响。

研究结果显示，经过优化的改性生物炭表现出较高的氮（N）和氧（O）掺杂水平，分别为1.67 at.%和11.1 at.%。其比表面积达到1498 m2/g，而超微孔（<0.7 nm）的体积为0.40 cm3/g。这些参数的优化使得该材料在常温（25 °C）和常压（1 bar）条件下表现出优异的CO?吸附能力，吸附容量达到4.82 mmol/g。特别值得注意的是，在低温（0 °C）和常压条件下，超微孔填充率超过了80%，这表明在特定条件下，超微孔结构对CO?吸附起到了决定性作用。

在本研究之前，已有大量文献探讨了生物炭在CO?吸附中的应用。例如，一些研究团队通过调节活化温度、碱碳比和活化时间等参数，制备了不同结构的氮掺杂生物炭。这些材料在CO?吸附方面表现出一定的性能，但仍然存在吸附容量不足、选择性不高等问题。另一些研究则通过引入不同的生物质来源，如柚子皮、微藻等，对生物炭进行改性，以提高其吸附能力。这些研究虽然取得了一定的进展，但大多局限于单一的改性策略，未能充分揭示异原子掺杂与孔隙结构之间的协同作用。

本研究提出了一种双步骤的改性策略，即先通过HNO?溶液浸渍对生物炭进行预处理，再通过KOH活化对生物炭进行结构调控。这一策略不仅能够提高生物炭的表面活性，还能优化其孔隙结构，从而实现对CO?吸附性能的双重提升。通过系统的实验研究和理论分析，研究团队成功解耦了孔隙结构与异原子诱导相互作用对CO?吸附能力的贡献。结果表明，超微孔的体积和异原子掺杂水平是影响CO?吸附能力的关键因素，而两者之间的协同作用能够显著提高吸附效率。

在实验过程中，研究团队首先对松子壳进行了预处理，使其具备一定的热解活性。随后，将预处理后的松子壳在高温下进行碳化，得到原始生物炭。在此基础上，通过HNO?溶液浸渍和KOH活化相结合的方法，对生物炭进行改性。HNO?溶液的浸渍能够促进氮和氧等异原子的掺杂，而KOH活化则能够调控生物炭的孔隙结构，使其形成更多的超微孔。通过改变HNO?的浓度，研究团队系统地研究了其对异原子掺杂和孔隙结构的影响，发现HNO?浓度的增加能够提高异原子的掺杂水平，同时也能促进孔隙的扩展，从而提升CO?的吸附能力。

为了进一步验证改性生物炭的性能，研究团队采用了扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析系统，对材料的表面形貌和元素分布进行了表征。结果显示，原始生物炭表面较为光滑，孔隙较少，而经过KOH活化后的生物炭表面出现了大量微纳米孔，表明活化过程有效地扩展了孔隙结构。此外，随着HNO?浓度的增加，生物炭的表面结构和元素分布也发生了明显变化，进一步支持了HNO?浓度对异原子掺杂和孔隙结构的调控作用。

在理论分析方面，研究团队利用密度泛函理论（DFT）计算，对改性生物炭的CO?吸附机制进行了深入探讨。结果表明，异原子掺杂能够改变生物炭的表面电荷分布，增强其对CO?分子的吸附能力。而孔隙结构的优化则能够提高CO?分子的扩散速率和吸附位点的密度，从而提升整体吸附性能。通过结合实验和理论分析，研究团队揭示了异原子掺杂与孔隙结构之间的协同作用，为今后开发高性能的CO?吸附材料提供了新的思路。

本研究的成果表明，通过合理的表面改性和孔隙结构调控，可以显著提升生物炭的CO?吸附能力。优化后的生物炭在常温常压条件下表现出优异的吸附性能，同时在低温条件下也能实现较高的超微孔填充率。这不仅为碳捕集技术的发展提供了新的材料选择，也为实现零碳经济目标提供了技术支持。此外，该研究还为今后的生物炭改性策略提供了理论依据，即通过协同调控表面化学和孔隙结构，可以实现对CO?吸附性能的双重提升。

在实际应用方面，改性生物炭可以作为一种高效的CO?吸附材料，用于工业排放的捕集和处理。其低成本、高可再生性和良好的吸附性能，使其在碳捕集领域具有广阔的应用前景。此外，该研究还揭示了HNO?浓度对异原子掺杂和孔隙结构的调控作用，为今后优化生物炭改性工艺提供了重要的参考。通过调整HNO?的浓度，可以实现对异原子掺杂水平和孔隙结构的精准控制，从而提升CO?的吸附能力。

综上所述，本研究通过HNO?溶液浸渍和KOH活化相结合的策略，对松子壳衍生的生物炭进行了表面改性和孔隙结构调控，成功提升了其CO?吸附性能。研究结果表明，异原子掺杂和孔隙结构的协同作用能够显著提高CO?的吸附能力，而优化后的生物炭在常温常压条件下表现出优异的吸附性能。该研究不仅为碳捕集技术的发展提供了新的材料选择，也为实现零碳经济目标提供了技术支持。此外，该研究还为今后的生物炭改性策略提供了理论依据，即通过协同调控表面化学和孔隙结构，可以实现对CO?吸附性能的双重提升。