一种新型纳米流体，含有经过改性的碳纳米颗粒，具有更高的稳定性和二氧化碳（CO2）吸收性能：制备、表征及作用机制

《Journal of CO2 Utilization》：A novel nanofluid containing modified carbon nanoparticles with enhanced stability and performance for CO 2 absorption: Preparation, characterization and mechanism

制备了氨基修饰碳纳米流体（APTES-CNSs）并系统研究其CO?吸附性能。通过SEM/TEM表征证实纳米结构稳定，FT-IR/XPS证实表面成功接枝氨基和硅氧烷基团，UV-Vis证实改性后稳定性提升。实验表明在30℃、0.8g/L固体含量时，CO?吸收增强指数达1.25，较未改性流体提升显著。机理研究揭示氨基化学吸附与纳米粒子物理吸附协同作用，以及APTES层对气泡破碎和边界层混合的促进作用。

　　### 纳米流体在CO?吸收中的应用研究

在当前全球气候变化日益严峻的背景下，CO?的捕集、利用与封存（CCUS）技术成为实现低碳能源利用的重要手段。CO?的捕集是CCUS技术的关键环节，而吸收剂的选择与优化直接影响着整个过程的效率与经济性。为了提升吸收效率，近年来研究者开始关注纳米材料的应用，特别是在提高传质效率和吸收能力方面展现出巨大潜力。纳米流体作为一种新型的传质促进剂，能够通过增加气体-液体界面的接触面积、增强传质速率以及提升吸收剂的稳定性，显著改善CO?的捕集效果。

在本研究中，科学家们开发了一种新型的纳米流体，该流体以氨基修饰的碳纳米颗粒为基础，具有更高的稳定性和吸收性能。为了全面评估这种纳米流体的特性，研究人员采用了多种分析手段，包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散光谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱（Raman）以及X射线光电子能谱（XPS）。这些分析手段帮助研究者深入理解了纳米颗粒的微观结构、元素组成、官能团分布以及表面化学特性，从而为后续的吸收性能评估奠定了基础。

为了进一步验证纳米流体的稳定性，研究团队使用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）对纳米流体进行了系统的稳定性测试。结果显示，APTES修饰的碳纳米球（APTES-CNSs）在MDEA溶液中表现出优异的稳定性。在实验条件下，当固含量为0.8?g/L且温度为30℃时，APTES-CNSs纳米流体的CO?吸收增强指数达到了1.25，远高于未修饰的胺溶液。这表明APTES-CNSs纳米流体在CO?捕集过程中具有更强的吸附能力，为其实用化提供了有力支持。

### 纳米材料在CO?捕集中的研究进展

在CO?捕集领域，纳米材料的应用已经成为一个重要的研究方向。不同种类的金属和非金属氧化物纳米颗粒，如SiO?、Al?O?和Fe?O?，已被广泛用于制备纳米悬浮液。研究表明，这些纳米颗粒能够通过表面效应和界面扰动显著提高CO?的吸收速率。例如，Wang等人发现，不同纳米颗粒对CO?吸收效率的影响顺序为TiO?>SiO?>Al?O?，这说明纳米颗粒的种类对吸收性能具有重要影响。

Sun等人进一步研究了纳米颗粒类型、固含量以及吸收液浓度对CO?吸收增强的影响。他们发现，当使用不同类型的纳米颗粒时，吸收效率会受到固含量和吸收液浓度的显著影响。在MEAMDEA溶液中，纳米颗粒的加入能够有效提高CO?的吸收能力。此外，Zhang等人开发了Fe?O?纳米颗粒作为CO?吸收的传质促进剂，用于水溶液中的CO?捕集实验。他们通过实验确定了不同纳米颗粒负载量、颗粒尺寸、氨浓度、入口CO?浓度和气体流速对整体体积传质系数的影响。

随着纳米技术的发展，研究者们逐渐关注更小尺寸的纳米颗粒。例如，Zhao等人研究了不同尺度的TiO?纳米颗粒对CO?吸收和传质的增强效应。结果表明，在较低的固含量条件下，纳米颗粒的尺寸越小，其对CO?的吸收增强效果越显著。Zhang等人则研究了纳米颗粒对AMP水溶液中CO?捕集性能的影响，通过两步法制备了不同类型的纳米流体，并使用气泡反应器作为实验装置进行吸收测试。

除了传统的金属和非金属氧化物纳米颗粒，功能性纳米材料和复合纳米流体的研究也取得了显著进展。例如，TiO?纳米颗粒功能化的溶剂在天然气脱硫过程中展现出高选择性，能够有效分离H?S和CO?。此外，多孔离子液体通过构建化学吸附位点，实现了高效低压CO?捕集和转化。这些研究为新型功能性纳米流体的开发提供了重要的理论基础和实验依据。

### 碳材料在CO?捕集中的优势

碳材料，如石墨烯、碳纳米管和活性炭，因其高比表面积、广泛的可获得性、优异的热化学稳定性和表面功能化特性，被广泛应用于气体分离。研究发现，碳材料在CO?吸收增强方面通常优于金属氧化物纳米颗粒。例如，Yuan等人研究了碳纳米管（CNT）和SiO?的水基纳米流体作为CO?吸收剂的应用。实验结果表明，当纳米颗粒的含量增加至0.02-0.06?wt%时，SiO?和CNT纳米流体的CO?捕集效率分别提高了7.92%和13.17%。

Nabipour等人研究了功能化多壁碳纳米管（MWCNT）和Fe?O?纳米流体在CO?吸收中的应用。结果表明，MWCNT在相同条件下比Fe?O?纳米颗粒表现出更好的吸收效果，其溶度提高了7.3%。Irani等人则制备了氨基功能化的还原氧化石墨烯（rGO）与MDEA的纳米流体，用于酸性气体（CO?和H?S）的吸收。实验结果表明，这种纳米流体具有良好的稳定性和高吸收能力。

Peyman等人通过水热法合成了壳聚糖，制备了碳点（CDs），并将其表面修饰为氨基。实验结果表明，CDCH: N-200–8纳米流体在大气中捕集CO?方面表现出独特的优势，其吸收效率远高于传统吸收剂。这些研究表明，碳材料在CO?捕集过程中具有良好的性能，但其稳定性仍然是一个关键挑战。

### 纳米流体的稳定性问题

作为一种悬浮系统，纳米流体的稳定性是其在CO?捕集系统中应用性能的重要保障。在实际应用中，纳米颗粒在吸收剂中的分散性较差，容易发生“聚集”现象，这不仅会导致吸收速率和容量下降，还可能引起异常的压力降、管道堵塞等问题，从而影响纳米流体的工业应用。因此，提高纳米流体的稳定性是当前研究的重点之一。

研究者们发现，通过在纳米材料表面引入亲水性官能团，可以显著改善纳米流体的稳定性。例如，Fariba等人在Fe?O?纳米颗粒表面引入了多种氨基酸官能团，如精氨酸、组氨酸和甘氨酸，以提高CO?吸收实验中的传质和传热性能。实验结果表明，这种修饰方法能够有效增强纳米颗粒的稳定性，并提高其对CO?的吸收能力。

Lashgarinejad等人将氨基功能化的磁性氧化石墨烯加入MDEA溶液中，以提高CO?的吸收效果。实验结果表明，这种纳米流体在不同温度和压力条件下表现出优于基础溶液的吸收能力，其吸收效率提高了19%。Elhambakhsh等人则使用Fe?O?-氨基丙基、Fe?O?-赖氨酸、Fe?O?@SiO?-氨基丙基和Fe?O?@SiO?-赖氨酸纳米颗粒，以提高Fe?O?纳米颗粒在CO?吸收中的性能。实验结果表明，所有修饰后的Fe?O?纳米颗粒在CO?捕集过程中均表现出优于原始纳米颗粒的效果。

然而，由于金属颗粒表面缺乏易于接枝的官能团，如羟基，这些官能团与多种修饰剂之间的反应相对复杂。此外，金属颗粒的化学稳定性较低，化学反应可能在修饰过程中发生，从而影响修饰的可控性和重复性。因此，开发一种易于修饰且能够同时提高纳米流体稳定性和CO?吸收性能的新材料成为迫切需求。

### APTES-CNSs纳米流体的制备与性能评估

在本研究中，研究团队选择通过葡萄糖水热法合成的碳纳米球（CNSs）作为CO?吸收纳米流体的基础材料。CNSs具有良好的分散性和表面功能化特性，为后续的修饰提供了理想的基础。随后，研究人员使用（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷（APTES）对CNSs进行功能化处理，以提高其在CO?吸收中的性能。

APTES-CNSs纳米流体的制备过程包括两个步骤：首先，将APTES与去离子水混合，通过磁力搅拌和超声处理使其均匀分散；其次，将预合成的APTES-CNSs纳米颗粒加入MDEA溶液中，进行进一步的混合和稳定处理。实验结果表明，APTES修饰能够显著提高CNSs的稳定性，使其在MDEA溶液中保持良好的分散性，不易发生聚集现象。

为了评估APTES-CNSs纳米流体的稳定性，研究团队使用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）对其进行了系统的稳定性测试。结果显示，在相同条件下，APTES-CNSs纳米流体的吸收效率显著高于未修饰的CNSs纳米流体。此外，研究还发现，通过调节超声时间可以进一步优化纳米流体的稳定性。实验表明，当超声时间为30分钟时，纳米流体的稳定性达到最佳状态，其吸收能力得到了有效提升。

### CO?吸收性能的实验分析

为了进一步评估APTES-CNSs纳米流体的CO?吸收性能，研究团队在不同的实验条件下进行了系统测试。实验包括固含量、温度、胺溶液浓度和气体流速等因素的影响分析。实验结果表明，当固含量为0.8?g/L且温度为30℃时，APTES-CNSs纳米流体的CO?吸收增强指数达到1.25，显著优于未修饰的胺溶液。这说明APTES修饰不仅提高了纳米颗粒的稳定性，还增强了其对CO?的吸附能力。

此外，研究还发现，纳米颗粒的浓度对CO?吸收性能具有重要影响。当纳米颗粒的浓度增加时，其对CO?的吸收能力也随之增强，但超过一定浓度后，纳米颗粒的聚集现象会导致吸收效率下降。因此，确定最佳的纳米颗粒浓度对于实现高效的CO?捕集至关重要。实验结果表明，当纳米颗粒的浓度为0.8?g/L时，其吸收性能达到最佳状态。

### CO?脱附性能的评估

除了吸收性能，纳米流体的脱附性能也是其在CO?捕集过程中不可忽视的重要方面。脱附能力直接影响到吸收剂的再生效率，进而影响整个捕集系统的经济性和可持续性。为了评估APTES-CNSs纳米流体的脱附性能，研究团队在75℃的条件下对CO?富集的纳米流体进行了加热脱附实验。

实验结果表明，APTES-CNSs纳米流体在脱附过程中表现出更快的CO?释放速率。这主要归因于纳米颗粒对传质性能的增强，如流体动力学效应和布朗运动。此外，纳米颗粒表面的氨基官能团可能改变反应的平衡状态，从而降低溶剂再生所需的能量。这些实验结果表明，APTES-CNSs纳米流体不仅在吸收过程中表现出优异的性能，而且在脱附过程中也具有更高的效率，为其在循环CO?捕集操作中的应用提供了有力支持。

### CO?吸收增强机制的分析

为了进一步理解APTES-CNSs纳米流体在CO?吸收中的增强机制，研究团队从物理和化学两个方面进行了分析。物理增强机制主要包括气泡破裂效应、流体动力学效应和布朗运动效应。其中，气泡破裂效应是指纳米颗粒在气泡碰撞过程中引起气泡破裂，从而增加气体-液体界面的接触面积，提高CO?的溶解度。流体动力学效应则通过纳米颗粒的布朗运动和流体扰动，增强气泡周围的传质能力，使CO?更容易扩散到纳米流体中。布朗运动效应则通过纳米颗粒的高比表面积和不规则运动，提高CO?分子在气液界面的吸附能力。

化学增强机制则主要涉及纳米颗粒表面的氨基官能团与CO?分子之间的反应。通过FT-IR光谱分析，研究团队发现APTES-CNSs纳米流体在吸收CO?后，其表面的氨基官能团与CO?分子发生反应，形成碳酸盐和氨基甲酸盐。这种化学反应不仅提高了CO?的吸收能力，还增强了纳米流体的稳定性。此外，DFT计算进一步揭示了APTES-CNSs纳米流体在分子层面的吸附机制。研究发现，APTES-CNSs纳米流体在不同吸附位点表现出不同的吸附能力，其中APTES-2位点的吸附能力最强，吸附能量达到?0.32?eV。

### 研究的结论与展望

综上所述，本研究开发了一种新型的氨基修饰碳纳米球（APTES-CNSs）纳米流体，用于CO?的吸收。通过系统的表征和性能测试，研究团队验证了APTES-CNSs纳米流体在提高吸收效率和稳定性方面的优势。实验结果表明，当MDEA溶液浓度为30%，吸收温度为30℃，气体流速为100?ml/min，固含量为0.8?g/L时，APTES-CNSs纳米流体的CO?吸收增强指数达到了1.25。这表明APTES修饰不仅提高了纳米颗粒的稳定性，还增强了其对CO?的吸附能力。

此外，研究团队还发现，APTES-CNSs纳米流体在脱附过程中表现出更高的效率，这为其在循环CO?捕集操作中的应用提供了重要依据。通过物理和化学增强机制的综合分析，研究团队揭示了APTES-CNSs纳米流体在提高CO?捕集性能方面的关键作用。这些研究成果为未来开发高效、稳定的CO?捕集纳米流体提供了重要的理论支持和实验依据。

### 作者贡献声明

本研究由Linjie Wu、Suyang Ji、Yong Zhu、Xiaoyong Yang和Bingjie Wang共同完成。Linjie Wu负责撰写原始稿件，进行实验设计和数据分析，并负责数据的整理和管理。Suyang Ji负责实验的可视化和验证工作，并使用软件进行数据处理。Yong Zhu负责研究的总体设计和方法论指导。Xiaoyong Yang提供了实验资源，并负责资金获取和研究概念的提出。Bingjie Wang负责论文的审阅和编辑工作，确保研究的科学性和准确性。所有作者均对研究结果进行了充分讨论，并对论文的撰写和修改进行了审阅和批准。