导电胺功能化的还原氧化石墨泡沫用于从空气中去除二氧化碳

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Electrically Conductive Amine Functionalized Reduced Graphite Oxide Foam for CO2 Removal from the Air

真空辅助电热驱动热摆吸附（V-ETSA）通过聚乙烯亚胺（PEI）浸渍的热处理石墨烯泡沫（TAGO900）实现快速CO?脱附，较传统TVSA脱附速率提升2.5倍，能耗降低且稳定性良好。

　　在当前全球面临日益严峻的气候变化问题背景下，直接空气捕集（DAC）技术正逐渐成为一种具有潜力的解决方案，用于从大气中去除二氧化碳。DAC的核心挑战之一在于如何高效地实现二氧化碳的吸附与再生，尤其是在处理低浓度二氧化碳（如400 ppm）时，传统的吸附方法往往面临吸附速率低、能耗高以及再生效率差等问题。为了解决这些限制，本研究提出了一种新型的吸附材料设计策略，结合了合适的电导率和二氧化碳吸附性能，以实现高效的真空辅助电驱动热循环吸附（V-ETSA）过程。

本研究开发了一种聚乙烯亚胺（PEI）浸渍的热退火氧化石墨烯泡沫（TAGO900），该材料被设计用于V-ETSA系统。通过将PEI与热退火氧化石墨烯泡沫结合，该材料不仅具备良好的二氧化碳吸附能力，还能通过电加热技术（即焦耳加热）实现快速再生。实验结果显示，当使用40%的PEI（分子量为25,000 Da）浸渍TAGO900时，该材料在25°C和70%相对湿度下，对400 ppm的二氧化碳/氮气混合气体的吸附容量达到了1.54 mmol/g，吸附速率则为0.016 mmol/g/min。这一表现表明，该材料在DAC应用中具备良好的性能，能够在实际操作条件下实现高效的二氧化碳捕集。

相比之下，传统的温度真空交换吸附（TVSA）方法虽然在某些情况下有效，但其加热效率较低，导致再生时间较长。本研究中，V-ETSA方法在相同条件下实现了显著更快的二氧化碳脱附速率，平均脱附速率为0.09 mmol/g/min，是TVSA方法的约2.5倍。在脱附阶段，该材料的最大脱附速率甚至达到了0.23 mmol/g/min。这些数据表明，直接加热策略，特别是焦耳加热，对于提升DAC系统的吸附与脱附效率具有重要作用。此外，V-ETSA方法在能量利用方面也表现优异，其能量需求显著低于TVSA方法，这为DAC技术的规模化应用提供了重要的技术支撑。

在实验过程中，研究人员对材料的结构和性能进行了深入分析。通过热处理和化学改性，氧化石墨烯泡沫的电导率得到了显著提升，同时其表面的氧含量大幅降低，从而减少了可能影响电导率的电容效应。这种结构上的优化使得材料在脱附过程中能够快速响应电压输入，实现高效的焦耳加热。在SEM图像中，可以观察到氧化石墨烯泡沫具有独特的分层结构，以及在水合过程中形成的多孔网络，这些特性有助于提高二氧化碳的吸附效率。

进一步的实验表明，不同分子量的PEI对吸附性能的影响显著。PEI800（分子量为800 Da）在吸附速率和容量方面表现优于PEI25k（分子量为25,000 Da）。然而，在脱附过程中，PEI25k表现出更优的循环稳定性，这可能与其较低的挥发性有关。尽管PEI800的吸附性能较好，但其在V-ETSA过程中的降解速率更快，导致吸附容量的逐渐下降。这种差异主要归因于PEI的物理性质，如其较高的挥发性和较低的粘度，使其更容易在真空条件下蒸发或氧化。

在V-ETSA和TVSA的对比实验中，V-ETSA系统表现出更优的性能。在TVSA中，由于加热方式为间接加热，导致材料内部温度上升缓慢，脱附效率受限。而在V-ETSA中，通过直接加热材料内部，使得温度上升更快，从而提高了脱附速率。此外，V-ETSA在冷却阶段也表现出更短的冷却时间，这有助于提高整个吸附-脱附循环的频率，进而提升DAC系统的整体生产力。

在二氧化碳纯度方面，V-ETSA方法同样展现出优势。随着脱附循环的进行，二氧化碳的纯度逐渐下降，但这一现象主要归因于脱附过程中可能的氮气泄漏。在相同实验条件下，V-ETSA的二氧化碳纯度保持在较高水平，达到77%，而TVSA的纯度则较低，仅为70%。这一结果表明，V-ETSA方法在脱附过程中对二氧化碳的富集效果更佳，有助于提高最终产品的纯度。

本研究的成果为DAC技术的发展提供了新的思路。通过将电导率与吸附性能相结合，设计出的V-ETSA材料不仅提高了脱附效率，还降低了能耗，从而提升了DAC系统的整体生产力。这种材料的开发对于实现大规模的二氧化碳捕集和储存具有重要意义。未来的研究方向包括进一步优化材料的结构和性能，探索更有效的胺基材料固定方法，以及开发适用于长期运行的耐久性更强的吸附材料。

在实际应用中，V-ETSA方法具有显著的优势。首先，它能够通过直接加热实现快速的脱附过程，这不仅提高了脱附速率，还减少了对额外加热设备的依赖，降低了系统复杂性。其次，该方法在脱附过程中避免了与液体介质的接触，减少了可能的材料污染和腐蚀问题。此外，V-ETSA的冷却过程也更加高效，使得整个吸附-脱附循环的时间显著缩短，从而提高了系统的运行效率。

综上所述，本研究提出的V-ETSA方法在DAC技术中展现出巨大的潜力。通过将电导率与吸附性能相结合，开发出的新型吸附材料不仅提高了脱附效率，还降低了能耗，为实现高效、低成本的二氧化碳捕集提供了可行的解决方案。未来的工作将重点放在进一步优化材料性能、探索更稳定的胺基材料固定方法，以及评估该材料在工业规模下的长期稳定性，以推动DAC技术的广泛应用。