分级孔道与极性调控协同促进高效CO2吸附材料的分子设计及性能研究

为解决传统胺功能化CO2吸附剂活性位点利用率低和胺流失两大挑战，研究人员提出"分级孔道-极性调控"协同策略，以分级介孔硅(HMS)为载体，通过APTMS/BTMS交替接枝与TEPA浸渍构建双活性位点吸附体系。优化后的HMS-AB-70T在70°C下动态吸附容量达5.34 mmol g?1，循环10次后仅衰减9.8%，湿度环境下性能提升至5.89 mmol g?1。该研究为高效稳定CO2吸附剂设计提供了分子级解决方案。

　　

全球气候变化背景下，碳捕获与封存(CCS)技术成为应对CO₂排放的关键策略。然而，传统胺功能化吸附材料面临"高负载-低利用率"的悖论：增加胺负载量虽能提高理论吸附容量，却导致胺基团聚集、孔道堵塞，造成30-50%的实际容量损失。更棘手的是，高温下的胺流失(>10 wt%/循环)和潮湿环境中的性能波动，严重制约着吸附材料的工业化应用。

针对这些挑战，西安的研究团队在《Carbon Capture Science》发表创新研究，通过"分级孔道-极性调控"协同策略，设计出新型HMS-AB-70T吸附材料。研究采用分级介孔硅(HMS)为载体，创新性地交替接枝氨基硅烷(APTMS)和丁基硅烷(BTMS)，再浸渍四乙烯五胺(TEPA)，构建具有双活性位点的CO₂吸附系统。关键技术包括：动态吸附实验系统定量评估性能，原位红外光谱解析吸附机制，Avrami动力学模型分析吸附过程，以及双位点Langmuir模型拟合等温吸附曲线。

研究结果部分：
3.1 结构表征显示HMS具有双模介孔结构(6 nm和10 nm)，比表面积715.44 m² g^?1，显著优于单孔材料SBA-15和KCC-1。
3.2 P123模板的PPO/PEO比例调控实验证实，21.6:1的高PPO含量促成三维蠕虫状分级孔道。
3.3 HMS-AB-70T表征显示APTMS/BTMS交替接枝形成极性梯度，使TEPA热分解温度从252°C提升至289°C。
3.4 胺负载优化表明70% TEPA浸渍量达到最佳平衡，静态吸附容量5.55 mmol g^?1(760 mmHg)。
3.5 动态测试显示在70°C、10% CO₂条件下突破时间达331秒，湿度环境使容量提升10.3%。
3.6 CO₂/N₂选择性高达7867，远超工业要求。
3.7 动力学分析揭示Avrami模型(n_a=1.307)最适配，证实化学-物理吸附协同机制。
3.8 吸附热测定显示最大热流-387.21 J g^?1，较传统材料降低30%能耗。
3.9 原位红外识别出1305 cm^?1(NHCOO^?)和1404 cm^?1(C-N)特征峰，阐明氨基甲酸盐形成路径。

该研究通过分子级界面工程，创造性解决了胺基团分布不均和高温失活等关键问题。交替极性设计使胺利用率从0.41提升至0.46，分级孔道结构将CO₂扩散阻力降低47%。特别值得注意的是，材料在补充15% TEPA后即可恢复初始性能，这种"可修复"特性大幅延长了使用寿命。这些突破为开发新一代高效、稳定、低能耗的CO₂捕集材料提供了全新思路，对实现碳中和目标具有重要实践意义。