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为探究碳基吸附剂中微孔与功能位点的耦合效应，研究人员结合机器学习与多尺度模拟，通过高通量 GCMC 模拟和 DFT 计算，发现不同作用类型下 CO?吸附机制差异，制备出高性能吸附剂，为设计提供新方向。
在应对全球气候变化的浪潮中，减少化石燃料燃烧产生的 CO?排放成为焦点。烟气中 CO?的高效捕获是实现碳减排的关键环节，碳基吸附剂因原料丰富、成本低等优势备受关注。然而，其内部微孔结构与杂原子掺杂位点紧密交织，二者对 CO?吸附的耦合效应尚不明确，导致难以精准设计高性能吸附剂。比如，微孔尺寸和功能位点的作用相互关联，传统研究难以剥离二者影响，且实验结果常存在矛盾，制约了针对性吸附剂的开发。
为解开这一科学谜题，研究人员开展了深入研究。通过构建包含典型氮、氧功能位点的不同尺寸狭缝孔模型，结合高通量巨正则蒙特卡罗（GCMC）模拟、密度泛函理论（DFT）计算以及机器学习分析，系统探究了微孔限域与功能位点的耦合机制，并据此制备出优化的碳基吸附剂。该研究成果发表在《Carbon Capture Science》，为碳捕获领域提供了重要的理论与实验依据。
研究中采用的主要关键技术方法包括：一是高通量 GCMC 模拟，用于分析 CO?在不同模型中的吸附和传输行为；二是 DFT 计算，以识别功能位点与 CO?间的化学相互作用，如路易斯酸碱作用、氢键等；三是机器学习，通过对多尺度模拟数据的分析，筛选关键描述符并建立预测模型；四是材料制备技术，如微波辅助 KOH 活化法，用于合成具有特定孔结构和掺杂环境的碳吸附剂，并结合 N?和 CO?吸附 / 解吸等温线、X 射线光电子能谱（XPS）等手段进行表征。
2.1 微孔与功能掺杂位点耦合效应的探究
通过 GCMC 模拟发现，功能位点类型显著影响 CO?吸附的最佳孔径。含石墨氮、吡咯氮、吡啶氮等基团的模型，最佳孔径约为 7?，此时 CO?分子均匀分布。而引入羟基（OH）、羧基（COOH）等含氧基团时，因空间位阻效应占据吸附空间，最佳孔径 shift 至 8-10?，CO?分子仅聚集在位点间空隙。研究提出 “自由体积 (Vf)” 概念，定义为功能位点占据后可容纳 CO?的孔体积与原始孔体积之比，用于定量表征空间位阻效应。不含位阻效应的位点（如石墨氮）Vf=1，而含氧基团的 Vf<1。进一步发现，无位阻效应时，CO?吸附容量随掺杂量增加单调上升；有位阻效应时，存在最佳掺杂量，过量会导致容量下降，甚至低于未掺杂孔。DFT 计算表明，氨基（NH?）等碱性位点与 CO?存在弱化学吸附（ΔEads=-0.59 eV），源于路易斯酸碱作用，而多数位点以物理吸附为主。分子动力学（MD）模拟显示，空间位阻效应会降低 H?O 扩散速率，影响 CO?/H?O 选择性，OH 基团修饰孔中 H?O 分子聚集在位点周围，导致选择性下降。
2.2 机器学习分析耦合效应的起源
利用随机森林（RF）模型对多尺度模拟数据进行分析，结果显示孔径（重要性 42%）和自由体积 (Vf，25%) 是影响 CO?吸附容量的关键因素。Pearson 相关分析表明，氧含量与 Vf呈负相关，与表面电负性、偶极矩呈正相关，说明含氧基团通过位阻和极化效应影响吸附。SHAP 分析显示，Vf的重要性随孔径变化，7? 孔中其重要性达 75%，9? 孔中降至 14.4%。三维交互图表明，低氧含量时 7? 孔主导吸附，高氧含量时需扩大孔径至 8-10? 以补偿 Vf损失，且氧含量过高（>15 at%）会因 H?O 竞争吸附抑制 CO?容量。
2.3 耦合效应指导下高性能碳吸附剂的制备
基于理论预测，研究人员以煤为原料，采用微波辅助 KOH 活化法制备了氮氧共掺杂（N/O co-doped）且孔径扩大的活性炭 NOMAC-MW。与未优化孔径的 NOMAC 相比，其 0.8-1.0 nm 微孔比例从 30% 提升至 37%，CO?吸附容量在 298 K、1 bar 下达 4 mmol?g-1，较 NOMAC 提高 130%，低温（273 K）下可达 5 mmol?g-1，性能优于多数已报道碳吸附剂。表征显示，NOMAC-MW 含吡啶氮、吡咯氮、COOH 等基团，证实了孔径与掺杂的协同优化效果。
研究明确了碳基吸附剂中微孔限域与功能位点的耦合机制：化学吸附主导时，7? 孔径为最佳；物理吸附主导时，空间位阻导致最佳孔径扩大至 8-10?，自由体积 (Vf) 是描述耦合效应的关键参数。实验制备的高性能吸附剂验证了理论预测，突破了传统单一孔工程或掺杂工程的局限，为设计高效碳基 CO?吸附剂提供了 “孔 - 掺杂” 协同优化的新范式，对推动烟气碳捕获技术的实际应用具有重要意义。该研究整合多尺度模拟与机器学习的方法体系，也为复杂多孔材料的构效关系研究提供了可借鉴的方法论。
