H2O2-KOH协同改性生物炭的可持续合成策略及其对CO2物理吸附的增强机制研究

针对全球CO2排放导致的极端气候问题，研究人员通过H2O2-KOH协同改性松木锯屑制备微孔生物炭，获得比表面积高达3522.7 m2/g（微孔率90.3%）的材料，在30°C下CO2吸附量达6.60 mmol/g，循环10次后仍保持91.2%容量。该研究为低成本碳捕集技术开发提供新思路。

　　

随着全球平均气温因CO₂过量排放持续攀升，开发高效碳捕集材料成为国际关注焦点。传统生物炭直接碳化法存在吸附容量低、孔隙结构不理想等问题，而现有化学活化剂如KOH虽能提升比表面积，却难以兼顾材料可持续性与吸附效率。如何通过绿色改性策略同步优化生物炭的物理结构和表面化学性质，成为突破CO₂捕集技术瓶颈的关键。

中国的研究团队在《Carbon Capture Science》发表论文，创新性地提出碱性过氧化氢（H₂O₂-KOH）协同改性策略。通过系统研究松木锯屑衍生生物炭的孔隙演化规律与CO₂吸附机制，发现该改性方法可使材料比表面积提升56.7%，并阐明自由基蚀刻与碱性位点协同增强吸附的分子机制。

研究采用热重分析（TGA）监测碳化过程，结合氧程序升温氧化（O₂-TPO）评估材料稳定性；通过氮气吸附-脱附等温线（BET）和透射电镜（TEM）表征孔隙结构；利用CO₂程序升温脱附（CO₂-TPD）区分物理/化学吸附位点；采用温度摆动吸附（TSA）测试循环性能。

3.1 生物炭特性
3.1.1 AHP处理效应
碱性过氧化氢处理使生物炭氧含量从45.47%降至11.00%，EPR检测证实·OOH自由基优先蚀刻无定形碳区域。SEM显示改性后材料形成均匀层状结构，比表面积达1166.3 m²/g。

3.1.2 KOH活化影响
KOH与生物炭质量比5:1时获得最优孔隙结构，ABC-ahp-5比表面积达3522.7 m²/g，微孔占比90.3%。XPS分析表明sp²碳含量增加，证实石墨化程度提升。

3.2 CO₂吸附性能
3.2.1 CO₂-TPD测试
ABC-ahp-6在110°C和476°C出现双吸附峰，物理/化学吸附面积比达3.5:1，显著高于未改性样品（2.1:1）。

3.2.2 TSA循环测试
Avrami模型拟合显示吸附过程包含多重机制（n>1）。ABC-ahp-6在30°C下吸附量6.60 mmol/g，10次循环后保持91.2%容量，15% CO₂模拟烟气中仍达6.07 mmol/g。

该研究创新性地揭示H₂O₂预处理通过降低O/C比促进KOH均匀扩散，而KOH蚀刻产生的微孔（<0.40 nm）与CO₂分子动力学直径（0.33 nm）匹配，协同增强范德华力作用。所开发的材料在保持石墨烯域π-π相互作用的同时，碱性位点（C=O/-OH）通过路易斯酸碱作用提升吸附选择性，为设计兼具高容量和循环稳定性的碳捕集材料提供新范式。未来研究可进一步考察实际烟气中SO₂/NO_x的干扰效应，推动该技术走向工程应用。