氨基功能化的整体二氧化硅吸附剂用于二氧化碳捕获

《Environmental Science: Advances》：Amine-functionalised monolithic silica adsorbents for CO2 capture

本研究通过溶胶-凝胶法合成了基于Pluronic P-123、F-127和SBA-15模板的氨基功能化硅质块体吸附剂，并系统评估了其CO2吸附性能、选择性和循环稳定性。结果表明，DT修饰的P-123块体在1 bar、45°C下吸附量达108 mg/g，且在稀释CO2条件下保持高选择性（吸附量占纯CO2的54%-87%），循环20次后仍保持79%的初始容量。该材料兼具高吸附容量、低压降和结构稳定性，为工业级CO2捕获提供了新思路。

　　在当前的环境背景下，碳捕集技术正成为减少温室气体排放和应对全球变暖的重要手段之一。随着能源和工业领域对碳排放控制需求的日益增长，研究者们不断探索更高效、更稳定、更适用于实际工业场景的吸附材料。本文聚焦于一种新型的胺功能化硅基整体材料，旨在提升其对二氧化碳（CO?）的吸附能力，同时优化其在工业应用中的可行性。这类材料不仅具有良好的吸附性能，还具备低压力降、高机械强度和重复使用性，使其成为当前碳捕集技术研究的热点之一。

硅基整体材料因其独特的结构特性，在碳捕集领域展现出巨大的潜力。这类材料通常通过溶胶-凝胶法或模板导向的聚合方法制备，能够形成具有有序孔结构的多孔网络。其结构的可调控性使其能够有效提升对特定气体的吸附能力，特别是在二氧化碳捕集方面。与传统粉末状吸附剂相比，整体材料的几何结构更有利于气体流动，从而降低系统压力损失，提高操作效率。此外，其机械强度和稳定性也更适合工业环境中的长期运行。

为了进一步提升硅基整体材料对二氧化碳的吸附性能，研究者们采用了一种策略，即在材料表面引入胺基团。这些胺基团可以通过化学键合的方式固定在硅表面，从而增强其对CO?的化学吸附能力。胺基团的存在使得材料表面能够与CO?发生反应，形成稳定的碳酸盐类化合物，显著提高吸附容量。此外，通过调整胺基团的类型和负载量，可以进一步优化材料的吸附效率和选择性。

在本研究中，采用了两种常见的胺硅烷：3-(三甲氧基硅烷)丙胺（AP）和N1-(3-三甲氧基硅烷丙基)二乙撑三胺（DT）。AP是一种含有单个氨基的化合物，而DT则具有多个氨基，能够提供更多的反应位点。研究发现，随着胺基团负载量的增加，材料的总CO?吸附量显著提升。然而，这种增加也伴随着吸附效率的下降，即单位氮含量对应的CO?吸附量降低。这一现象可能是由于高负载导致胺基团之间存在空间位阻，从而降低了其对CO?分子的可及性。因此，在设计这类材料时，需要在吸附容量与胺基团效率之间找到一个平衡点，以实现最佳的性能表现。

实验结果表明，DT功能化的整体材料在CO?吸附性能上表现优于AP功能化的材料。其中，以Pluronic P-123为模板制备的2DT样品在1 bar和45 °C条件下，CO?吸附量高达108 mg g?1，而在5.5 bar下达到156 mg g?1，表明其在高压下的吸附能力更强。此外，在0.15 bar条件下，这些材料的CO?吸附量仍能保持54%至87%的纯CO?吸附量，显示出良好的选择性，这在实际工业气体处理中具有重要价值。特别是在模拟燃煤烟气环境时，这些材料能够表现出与纯CO?环境相近的吸附性能，说明其在实际应用中具有较高的可行性。

材料的吸附性能不仅受到胺基团负载量的影响，还与其结构特征密切相关。例如，SBA-15是一种具有高度有序二维六方孔结构的硅基材料，其比表面积和孔体积均较高，能够提供更多的吸附位点。然而，随着胺基团的引入，材料的孔结构可能受到一定影响，表现为比表面积和孔体积的下降，以及孔径分布的改变。这种变化可能源于胺基团在孔道中占据空间，或导致孔道部分堵塞。因此，在功能化过程中，必须仔细控制胺基团的负载量和分布方式，以避免对材料的结构造成过大的影响。

此外，材料的稳定性在重复吸附-脱附循环中表现良好。实验结果显示，即使经过多次循环，这些功能化材料仍能保持较高的吸附能力。例如，P-123整体材料-2DT在5次循环后仍能保持95%的初始吸附能力，而经过20次循环后，其吸附能力仅下降至79%。这表明，这类材料不仅在吸附能力上表现出色，而且在长期运行中具有良好的机械稳定性和循环耐受性，为工业应用提供了坚实的基础。

在实际工业环境中，材料的性能不仅取决于其吸附能力，还受到其他因素的影响，如气体流速、操作温度、以及气体中其他成分的存在。例如，在模拟燃煤烟气（含15% CO?）的条件下，这些材料仍能保持较高的吸附能力，显示出良好的选择性和适应性。这种性能使得它们能够有效应对复杂气体环境中的挑战，提高碳捕集系统的效率。

综上所述，胺功能化硅基整体材料在提高CO?吸附性能方面具有显著优势，同时具备良好的结构稳定性和循环耐受性。这种材料的开发为碳捕集技术提供了新的可能性，特别是在工业应用中，其低压力降、高机械强度和可重复使用性使其成为一种极具潜力的吸附材料。未来的研究可以进一步探索如何优化胺基团的分布和负载，以实现更高的吸附效率和更长的使用寿命。此外，还需评估材料在实际工业气体中的表现，包括对杂质和水分的耐受性，以确保其在真实应用场景中的适用性。通过持续的材料改进和工艺优化，胺功能化硅基整体材料有望成为碳捕集技术的重要组成部分，为实现全球碳减排目标做出贡献。