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在全球气候变化背景下，研究人员针对生物炭中氮掺杂与拓扑缺陷对 CO?吸附能力的协同效应不明问题，开展了 N/O 耦合拓扑缺陷共掺杂生物炭（NWBCs-T）的研究。结果显示 NWBC-900 吸附能力最强，该研究为碳捕获提供新策略。
在全球气候变暖的严峻形势下，二氧化碳（CO?）排放过量成为地球的沉重负担。大量的 CO?排放使得全球平均气温不断攀升，给生态环境和人类的未来带来了巨大的威胁。目前，二氧化碳捕获与封存（CCS）技术至关重要，其中固体吸附剂因具有诸多优势而备受关注，生物炭更是凭借其独特的性质成为研究热点。然而，原始生物炭对 CO?的吸附性能受到自身孔隙结构和表面化学性质的限制。同时，生物炭中氮掺杂和拓扑缺陷对 CO?吸附能力的协同作用尚不明确，这也阻碍了高性能生物炭吸附剂的研发。
为了解决这些问题，研究人员开展了深入研究。他们以废弃的杨梅核为原料，通过原位自组装技术和分步控温法，成功制备了富含 N/O 活性位点和拓扑缺陷的微介孔生物炭（NWBCs-T）。该研究成果发表在《Carbon Capture Science》上，为高效碳捕获提供了新的思路和方法。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是通过氮气吸附 - 脱附等温线分析仪（3H - 2000PM2），测定生物炭的孔隙结构参数，如比表面积、总孔体积、微孔体积等；二是利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱（Raman）等技术，对生物炭的表面化学性质进行分析；三是采用密度泛函理论（DFT）计算，从理论层面探究 N/O 构型和缺陷对 CO?吸附的影响机制。
下面来详细看看研究结果：
- 孔隙结构分析：制备的生物炭呈现出典型的 IV 型氮吸附 - 脱附曲线和 H3 滞后环，表明其具有丰富的微孔和介孔结构。随着制备温度的升高，滞后环面积扩大，介孔增多，孔径分布更均匀。900°C 制备的生物炭（NWBC-900）在孔隙结构参数上表现更优，但与未掺杂的 WBC-900 相比，后者在总孔面积、微孔体积等方面更具优势。高温下，NaOH 中的 Na?会蚀刻微孔，使部分微孔转变为介孔，同时导致生物炭中不稳定的氮原子形成空位和拓扑缺陷。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，随着热解温度升高，生物炭的表面形态发生明显变化，NWBC-900 表面更为粗糙，这有利于增加活性位点。能量色散光谱（EDS）表明，N、O 等杂原子在 NWBC-900 表面均匀分散。
- CO?捕获性能：在 298K 时，NWBC-900 对 CO?的吸附容量最高，达到 60.03mg/g，远高于 NWBC-500 和 WBC-900。这得益于其丰富的微孔和介孔结构，以及大量的活性位点。通过与其他生物炭的对比，进一步凸显了 NWBC-900 在 CO?捕获方面的优势。吸附等温线数据经拟合发现，Freundlich 模型对 NWBCs 的等温吸附数据拟合效果最佳，说明其表面存在多层吸附。此外，研究还发现，CO?吸附行为并非仅由微孔和超微孔的范德华相互作用决定，功能基团和缺陷可能起主导作用。
- 表面化学性质分析：FTIR 光谱显示，NWBC-T 生物炭中成功掺杂了 C-N、N-H/O-H、C=O 等 N/O 键。随着制备温度升高，部分含氮和含氧功能基团的峰强度下降，这是因为高温使其稳定性降低，更易发生键断裂和分解反应，从而形成更多缺陷结构。XPS 分析表明，随着碳化温度升高，生物炭中氮含量减少，氧含量增加，同时形成了五角拓扑缺陷。N1s 光谱显示，高温下 pyrrolic-N 向更稳定的 pyridinic-N 和 graphitic-N 转化，优化了 CO?吸附性能。O1s 分析表明，C=O、C-O-C 等含氧功能基团是 CO?捕获的活性位点。Pearson 热图显示，graphitic-N、pyridinic-N 和 C-O-C 与 CO?吸附显著正相关。Raman 光谱证实，随着温度升高，生物炭的缺陷程度增加，且 pyrrolic-N 含量与拓扑缺陷的形成呈负相关。
- DFT 计算：DFT 计算结果表明，N 和 O 元素的引入增强了生物炭对 CO?的吸附能力，单个 pyridinic-N 和 C-O-C 结构是增强吸附的理想活性位点。当 graphitic-N、pyridinic-N 和 C-O-C 位于同一碳晶格时，吸附容量进一步提高。引入五角拓扑缺陷后，除 pyridinic-N 外，其他结构的吸附容量也得到提升。这是因为缺陷导致表面电子重新分布，增强了生物炭对 CO?的吸附活性。此外，生物炭对 CO?的吸附选择性高于 N?。能带隙（ΔEgap）分析表明，引入缺陷后，三功能基团耦合构型的 ΔEgap减小，有利于电子从生物炭的最高占据分子轨道（HOMO）转移到 CO?的最低未占据分子轨道（LUMO）。电荷分布和 Fukui 函数计算表明，生物炭具有给电子性质，引入缺陷后，电荷转移数量增加，CO?吸附容量增强。ESP 和 ALIE 分析表明，缺陷的引入增强了生物炭表面某些区域的活性，进而提高了 CO?吸附容量。通过 Interaction Region Indicator（IRI）函数可视化分析，证实了生物炭对 CO?的吸附与电子转移密切相关。
综合研究结果，研究人员得出以下结论：通过自组装方法成功制备了富含微介孔和缺陷位点的 N/O 共掺杂生物炭，显著提高了其 CO?化学吸附性能。900°C 高温碳化有利于形成丰富的 graphitic-N 构型、活性 C-O-C 基团和五角拓扑缺陷。五角拓扑缺陷对不同 N/O 功能位点的 CO?吸附能力影响各异，显著增强了边缘 graphitic-N 和 C-O-C 位点对 CO?的吸附。DFT 计算表明，这些独特结构增强了生物炭的电子转移能力，从而提升了 CO?吸附性能。
这项研究为利用氮掺杂生物炭高效捕获 CO?提供了一种经济、高效且环保的方法，具有重要的理论和实际意义。不过，该研究也存在一定的局限性，如未对生物炭的再生、吸附热、循环稳定性、吸附动力学和固定床吸附性能等关键指标进行研究。未来的研究可以围绕这些方面展开，进一步完善 CO?捕获技术，推动其实际应用。
