茶树枝衍生活性炭用于 CO2吸附的卓越性能：变废为宝应对全球挑战

为解决全球变暖问题，研究人员以茶树枝为原料，用 KOH 活化制备活性炭用于 CO2吸附研究。结果表明，特定条件下制得的活性炭有高比表面积和 CO2吸附容量，这为 CO2减排提供新途径。

　　全球变暖日益加剧，这已然成为了全人类面临的严峻挑战。在众多导致全球变暖的因素中，工业和人类活动对化石燃料的大量使用，使得大气中二氧化碳（CO₂）浓度急剧上升。目前，大气中 CO₂浓度约在 400 - 500ppm，并且模拟数据显示到 2100 年可能会攀升至 700ppm。过高的 CO₂浓度不仅严重威胁人类健康，引发体内酸碱失衡、CO₂中毒等问题，还在环境层面引发了一系列连锁反应，如全球气候变暖、臭氧层破坏、极端天气频发、极地冰川融化以及海平面上升等。

为了有效应对这一全球性难题，科研人员一直在努力探寻高效的 CO₂分离和吸附方法。在众多吸附材料中，活性炭凭借其独特的优势脱颖而出，如较大的比表面积（约 500 - 2500m²/g）、多样的孔容尺寸、高吸附容量、易于再生以及原料丰富、成本低廉等。然而，如何进一步提高活性炭的性能，使其在 CO₂吸附领域发挥更大的作用，成为了研究的关键方向。

在此背景下，研究人员开展了一项极具意义的研究，旨在利用农业废弃物茶树枝制备活性炭，并探究其对 CO₂的吸附性能。该研究成果发表在《Current Research in Green and Sustainable Chemistry》上。

研究人员运用了多种关键技术方法来开展此项研究。在原料处理方面，对茶树枝进行预处理，包括反复清洗、干燥、粉碎和筛分等步骤。在表征分析技术上，采用热重分析（TGA）测定原料热稳定性及挥发性成分；利用 Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析获取活性炭的比表面积和孔容；借助傅里叶变换红外光谱（FTIR）和 X 射线衍射（XRD）分别鉴定表面官能团和晶体结构；通过温度程序解吸 - CO₂（TPD-CO₂）分析 CO₂吸附容量；运用扫描电子显微镜 / 能量色散 X 射线光谱（SEM/EDS）观察原料和活性炭的表面形态 。

在研究结果部分，首先是原料分析。通过对茶树枝的 proximate analysis、elemental analysis 和 component analysis 发现，茶树枝具有低灰分、高挥发性物质含量的特点，其所含的纤维素、半纤维素和木质素等成分有助于活性炭的制备。热重分析表明，茶树枝在 250°C 开始显著分解，据此确定了碳化温度为 400 - 500°C。

孔隙和表面积分析显示，碳化温度和活化剂浓度均会影响活性炭的表面面积。在特定条件下，如样品 CCS 400/1 A₂B₁，在 400°C 碳化 1 小时，活化剂溶液与生物炭比例为 4:1，KOH 浓度为 40% 时，可获得高达 1462m² g?¹的比表面积，且该样品具有丰富的微孔结构，对 CO₂吸附十分有利。

形态分析中，SEM 图像显示茶树枝原料具有粗糙、纤维状和不规则的异质结构，而制备的活性炭则具有明显的孔隙，这对其吸附能力有重要影响。同时，元素组成分析表明，碳化过程增加了碳含量，减少了非碳物质含量，化学活化使钾含量增加。

XRD 分析发现，活性炭中含有多种成分，如碳酸钾（K?CO?）、氧化钾（K?O）、无定形碳和石墨等，这些成分对 CO₂吸附容量有重要影响。无定形结构和较小的晶体尺寸为 CO₂吸附提供了更多活性位点。

光谱分析表明，活性炭表面存在多种官能团，如 O - H、C - O 和 C = C 等。其中，羟基（O - H）在 CO₂气体吸附中起着重要作用，通过与 CO₂分子形成氢键促进吸附。不同样品中这些官能团的存在和变化影响着活性炭的吸附性能。

研究还探讨了化学活化参数对孔隙发展和 CO₂吸附容量的影响。结果表明，KOH 作为活化剂能有效提高活性炭的比表面积和孔容，但其浓度并非越高越好，40% 的 KOH 浓度在本研究中效果最佳。此外，碳化时间和温度对 CO₂吸附容量的影响因 KOH 与生物炭溶液的比例和 KOH 浓度而异。在较低比例和浓度下，碳化时间和温度的增加有助于提高吸附容量；而在较高比例和浓度下，化学活化对吸附容量的影响更为显著。

综合来看，该研究成功利用茶树枝制备出高性能的活性炭，为农业废弃物的资源化利用开辟了新途径。研究得出，在 400°C 碳化，4:1 的活化剂与碳前驱体比例，40% 的 KOH 浓度是制备高比表面积和高 CO₂吸附容量活性炭的最佳条件。这一研究成果为 CO₂减排提供了一种潜在的高效解决方案，对缓解全球变暖问题具有重要的现实意义。同时，也为后续相关研究提供了宝贵的参考，推动了绿色可持续化学领域的发展，有望在工业废气处理等实际应用场景中发挥重要作用。