锌氮磷共掺杂桉树皮基多孔碳构建活性位点增强N2O吸附性能的机制研究

针对N2O温室效应加剧的全球性问题，研究人员通过Zn/N/P共掺杂改性桉树皮基多孔碳（BC800-1.5/1/2），成功构建了C-Zn和C-PO3活性位点，实现1.86 mmol·g?1的高效N2O吸附（25℃,1 bar），为低能耗温室气体捕获提供了创新策略。

　　

在全球气候变暖的严峻形势下，笑气（N₂O）作为温室效应强度达CO₂ 298倍的"隐形杀手"，其排放量预计2050年将较2005年翻倍。传统吸附材料如沸石和金属有机框架（MOF）虽能捕获N₂O，但需高温高压条件，违背"低能耗"治理理念。而生物质多孔碳因其丰富孔结构和表面官能团成为理想候选，但如何通过精准调控化学位点提升吸附性能仍是难题。

为此，来自中国的研究团队创新性地采用桉树皮为原料，通过ZnCl₂/尿素/H₃PO₄三元共掺杂策略，在700-900℃热解制备系列多孔碳材料。研究结合BET比表面积分析、X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等表征技术，以及Materials Studio分子模拟计算，系统揭示了Zn-N-P协同作用机制。

关键研究发现

1. 材料特性调控：SEM显示800℃样品（BC800-1.5/1/2）具有最丰富的0.67-0.85 nm微孔结构，其比表面积达700.912 m²·g^?1。Raman光谱证实该材料具有最高缺陷度（I_D/I_G=1.03），XPS检测到1.53 wt%的Zn元素成功掺杂。

2. 吸附性能突破：动态吸附实验表明，BC800-1.5/1/2在25℃常压下实现1.86 mmol·g^?1的N₂O吸附量，是未掺杂样品的5.2倍，远超MOF-5（0.46 mmol·g^?1）等传统材料。Thomas模型拟合显示其质量转移阻力最大（K_TH=127.28 cm³·min^?1·mmol^?1），延长了气体接触时间。

3. 化学吸附机制：FTIR在430 cm^?1处发现C-Zn键特征峰，XPS吸附后检测到新型Zn-N键（397.2 eV）。理论计算证实C-Zn和C-PO₃基团的吸附能最低（-7.512 eV和-7.810 eV），且N₂O分子更倾向以N端与这些基团结合，距离仅1.293-1.405 ?。

4. 实际应用价值：5次吸附-脱附循环后仍保持72.5%的容量，但湿度超过10%会显著降低性能，为工业应用提供操作边界。

这项发表于《Industrial Crops and Products》的研究，首次揭示了Zn-N-P三元共掺杂在生物质碳材料中构建活性位点的协同机制。通过精准调控C-Zn和C-PO₃化学吸附位点与0.6-0.8 nm优选孔径的协同作用，实现了常温常压下N₂O的高效捕获，不仅为农业废弃物高值化利用提供新思路，更为碳中和目标下温室气体治理提供了可规模化应用的技术方案。