综述：将壳聚糖转化为氮掺杂碳用于高效二氧化碳捕获的综合评述

这篇综述系统探讨了以壳聚糖（Chitosan）为前体制备氮掺杂碳（N-doped carbon）材料在CO2捕获中的应用，重点分析了其合成方法（如碳化、水热碳化HTC）、氮功能化（吡啶-N、吡咯-N）与孔隙结构的协同作用，以及材料在碳捕获与封存（CCS）技术中的潜力，为可持续气候行动（SDG 13）提供了创新解决方案。

　　

引言

全球变暖与CO₂排放的关联性促使碳捕获技术（CCS）成为研究热点。传统胺吸附法因高能耗和毒性受限，而氮掺杂碳材料因其可调控的孔隙结构和表面化学性质脱颖而出。壳聚糖作为生物质衍生的氮前体（含氮量约7%），通过热解或化学活化可转化为高效CO₂吸附剂，兼具环境友好与成本优势。

CO₂吸附机制

CO₂吸附分为物理吸附（范德华力）和化学吸附（氮活性位点键合）。微孔（<0.8 nm）通过限域效应增强低压力吸附，而吡啶-N和吡咯-N通过路易斯酸碱相互作用提升选择性。例如，KOH活化的壳聚糖衍生碳（表面积2567 m²/g）在298 K下吸附量达6.97 mmol/g，归因于超微孔与氮协同效应。

合成方法

1. 碳化法：直接碳化壳聚糖（300–800°C）保留氮功能，但孔隙有限。添加KOH或尿素可提升孔隙率，如尿素-KOH共活化材料表面积达1648 m²/g。
2. 两步法：预碳化后活化（700–1000°C）优化孔隙分布，ZnCl₂活化产物表面积1530 m²/g，但氮含量可能降低。
3. 水热碳化（HTC）：低温（150–250°C）生成富氮水热炭，后续KOH活化可提升孔隙率至1548 m²/g。
4. 模板法：硬模板（如Na₂CO₃）或软模板（如F127）调控孔道结构，但移除模板可能引入缺陷。

氮功能与性能关联

吡啶-N（结合能398.0 eV）和吡咯-N（399.7 eV）直接参与CO₂化学吸附，而石墨-N增强材料稳定性。例如，含13.08%氮的材料吸附量达6.97 mmol/g，但过量氮可能导致非晶化。

未来方向

1. 合成优化：开发低温高氮保留工艺，如溶胶-凝胶法结合氨基酸交联。
2. 形态改进：将粉末转为颗粒或微球，提升工业适用性。
3. 应用扩展：集成到燃烧后捕获系统，测试潮湿环境下的循环稳定性。

壳聚糖基氮掺杂碳材料以其可持续性和高性能，有望成为下一代碳捕获技术的核心，推动全球碳中和目标的实现。