生物质炭对 H2O 蒸汽吸附性能研究：理化性质与 MD 模拟的深度解析

在能源生产中，生物质燃料转化过程受多种因素影响。研究人员开展了 “Linking experimental H2O vapor adsorption on biomass char with physicochemical char properties and MD simulation” 的研究，发现氧含官能团（OFG）和孔隙结构影响 H2O 吸附，为相关领域提供理论依据。

　　在能源生产的大舞台上，生物质燃料的高效利用与碳排放控制一直是备受瞩目的焦点。其中，生物质燃料的转化过程与多种因素紧密相关，这使得研究变得复杂而具有挑战性。在生物质燃料的转化场景中，其所处的气相环境成分复杂，包含 CO₂、H₂O、O₂等气体，就连含量仅在 ppm 级别的 CO，也会在燃料颗粒的孔隙中占据一席之地。而且，生物质炭自身的化学和结构特性，更是对整个反应动力学和转化行为有着不可忽视的影响。比如，在气化反应里，生物质炭的孔隙表面积、表面官能团以及矿物质等性质，都会显著影响其与反应气体的相互作用。然而，这些因素相互交织，使得想要清晰地了解它们各自的作用变得困难重重。就像一团乱麻，各个因素相互牵扯，难以理清。因此，为了更好地优化能源生产过程，提高生物质燃料的利用效率，减少碳排放，深入研究生物质炭的这些性质对其与 H₂O 分子相互作用的影响就显得尤为重要。

来自国外的研究人员针对这一复杂问题展开了深入研究。他们通过一系列实验和模拟，对不同生物质炭吸附 H₂O 蒸汽的性能进行了全面剖析，相关研究成果发表在《Fluid Phase Equilibria》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在材料表征方面，运用基于物理吸附测量和二维非局部密度泛函理论（2D-NLDFT）计算的孔隙结构分析方法，来精准测定生物质炭的孔隙特征；利用热重程序升温脱附（TPD）测量技术，对氧含官能团（OFG）进行定量分析。在吸附性能研究上，借助重力吸附系统测定 H₂O 蒸汽吸附量，并通过分子动力学（MD）模拟，从微观层面探究 H₂O 分子在孔隙中的行为。

研究结果如下：

1. 吸附平衡数据：通过测量不同生物质炭在不同温度下 H₂O 蒸汽的吸附等温线，发现 MH800 的吸附等温线呈典型的 IUPAC V 型，这是疏水微孔材料的特征。在低相对压力下，吸附遵循亨利定律，主要是物理吸附；随着相对压力升高，微孔填充导致吸附量急剧增加，这与它的低官能化程度和高微孔表面积有关。TB 的等温线与 MH800 相似，但由于微孔表面积较小，其吸附量增加的幅度较小，且在低压力区域因表面羧酸含量较高而呈现凹形。O-MH800 的等温线为 IUPAC II 型，因其高度官能化，整体吸附容量较高，在低相对压力下，大量的 OFG 作为吸附位点，使吸附量迅速增加。
2. 分子动力学模拟：MD 模拟结果显示，在功能化孔隙中，H₂O 分子的自扩散系数随孔隙宽度增加而增强，表明分子在较宽孔隙中的流动性更好。通过分析概率密度发现，在功能化孔隙中，H₂O 分子倾向于聚集在孔壁的羧酸基团附近，尤其是在低浓度时；而在疏水孔隙中，分子的分布则主要受孔隙空间限制。
3. 比较 MD 模拟和实验：将模拟结果与实验数据对比，计算实验中的平均吸附质密度，并与模拟中的平均摩尔密度进行匹配。结果发现，模拟结果能够很好地解释实验现象，如 TB 在低相对压力下较高的吸附量可归因于其较多的 OFG，而 O-MH800 在低相对压力下的高吸附量则与功能化孔隙表面的强吸附作用相关。

研究结论和讨论部分指出，高浓度的 OFG 显著影响生物质炭对 H₂O 的吸附能力，增强了 H₂O 分子与表面的亲和力，尤其在低 H₂O 相对压力区域，OFG 对初始吸附起着关键作用。在微孔结构显著但功能化程度低的情况下，孔隙凝聚是主要的吸附机制。通过对不同孔隙结构和 OFG 含量的研究，揭示了它们对吸附性能的影响规律。这项研究为深入理解生物质炭在能源生产过程中的行为提供了重要依据，有助于优化生物质燃料转化技术，提高能源利用效率，减少碳排放，在能源领域具有重要的理论和实际应用价值。