聚乙烯亚胺链长可调控的接枝固体胺材料对CO2吸附/脱附行为的对比研究

针对固体胺材料在CO2捕集中吸附容量与动力学性能难以平衡的问题，研究人员通过可控开环聚合合成了一系列PEI接枝PS树脂（PS-LPEI-y），发现PEI链长（y=3.5）在25°C时具有最优吸附性能，揭示了PEI聚集效应对CO2扩散的抑制作用及高温下的缓解机制，为设计高效碳捕集材料提供了理论依据。

　　

研究背景

全球能源供应仍严重依赖化石燃料燃烧，导致CO₂排放量持续攀升。碳捕集与封存（CCS）技术被视为控制CO₂释放的关键策略，其中液体胺吸收法虽广泛应用，但存在能耗高、腐蚀性强等缺陷。固体胺吸附材料因其低再生能耗、耐腐蚀等优势成为研究热点，但其性能常受限于胺负载量与扩散速率的矛盾——高胺负载虽提升容量却阻碍CO₂传质。尽管接枝型固体胺材料稳定性优异，但其低负载量导致相关研究长期被忽视。

研究设计与方法

中国石油大学（北京）联合常州大学的研究团队通过2-甲基-2-恶唑啉的可控开环聚合，在交联聚苯乙烯（PS）载体上原位构建线性聚乙烯亚胺（LPEI）链，合成五种不同聚合度（y=1.7-5.5）的PS-LPEI-y材料。采用元素分析、XPS、N₂吸附-脱附等技术表征材料结构，通过变温吸附实验结合动力学模型分析CO₂吸附性能，并利用量热法测定吸附热。

研究结果

材料表征：元素分析显示氮含量随单体投料比递增，XPS证实-CH₂Cl基团消耗完全。比表面积测试表明PEI链增长导致材料孔隙率下降，y=5.5时比表面积仅为1.7 m²/g。

CO₂吸附性能：25°C时PS-LPEI-3.5吸附量最高（1.82 mmol/g），而更高胺负载材料因PEI聚集导致扩散受阻。80°C下长链材料（y=5.5）反超短链组，表明高温可缓解聚集效应。

动力学分析：阿伦尼乌斯模型显示长链材料吸附/脱附活化能更高（E_a,ads达45.2 kJ/mol），但量热法测得吸附热反而更低，推测与次级胺占比提升及氢键网络形成有关。

结论与意义

该研究首次系统揭示了接枝型固体胺中PEI链长对CO₂捕获性能的调控规律：中等链长（y=3.5）在常温下实现吸附容量与速率的平衡，而高温工况下长链材料更具优势。理论计算支持羧酸形成与相邻亚乙基亚胺单元的氢键协同作用机制。发表于《Applied Surface Science》的这项成果，为开发适应不同温度场景的定制化碳捕集材料提供了关键设计原则，推动CCS技术向低能耗、高稳定性方向发展。