钾硼酸盐活化硼掺杂多孔碳材料的选择性CO2吸附性能研究

为解决温室气体CO2高效捕获难题，研究人员创新性地利用钾硼酸盐（KBO2）作为绿色活化剂和硼掺杂源，以菱角壳生物质为前驱体，制备出具有高比表面积（683 m2/g）和优异CO2吸附容量（4.22 mmol/g，0°C）的硼掺杂多孔碳材料。该研究为可持续碳捕集技术开发提供了新思路。

　　

全球变暖已成为威胁生态平衡的首要问题，其中化石燃料燃烧释放的CO₂年排放量高达320亿吨，预计210年大气浓度将突破800 ppm。传统胺法捕集技术存在高能耗、毒性溶剂等缺陷，而多孔碳材料因其可调控的孔隙结构和表面化学性质被视为理想替代方案。然而，常规活化剂（如KOH）具有强腐蚀性，且单纯物理活化难以实现高效CO₂吸附。在此背景下，浙江自然科学基金资助的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表创新成果，首次将钾硼酸盐（KBO₂）双重功能化策略应用于菱角壳衍生多孔碳的制备。

研究采用三步法：菱角壳先经500°C碳化获得生物炭（WSC），再与KBO₂按1:1/1:2质量比混合，在850-950°C氮气氛围下同步完成活化和硼掺杂。通过扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和气体吸附分析等技术表征材料特性，并测试CO₂/N₂选择性吸附性能。

Morphological, phase structural, and surface chemical evaluation
SEM显示KBO₂活化后材料表面出现显著孔洞坍塌和微孔结构（图1b-g），XPS证实硼以BC₂O和BCO₂形式掺入碳骨架（1.95 wt%），同步提升材料碱性和电荷分布。

Synthesis and characterization
优化条件（950°C，1:2质量比）下获得的WSCPM-950-2材料具有最大比表面积（683 m²/g）和微孔体积（0.30 cm³/g），其CO₂吸附量远超未掺杂样品（25°C时提升58%），归因于硼诱导的强路易斯酸碱相互作用。

Conclusion
该研究开创性地利用KBO₂实现生物质碳的"一步法"活化和掺杂，材料展现出快速吸附动力学（<2 min达到平衡）、优异循环稳定性（10次循环后效率保持95%）和CO₂/N₂选择性（IAST值达28）。Junting Wang等提出的绿色合成策略为开发低成本、高效率的碳捕集材料提供了新范式，尤其适合工业化放大应用。研究同时揭示了硼掺杂增强CO₂吸附的机制：硼原子通过改变碳骨架电子云密度，强化与CO₂四极矩的相互作用，而KBO₂分解产生的K₂O能有效刻蚀形成分级孔隙。这项由北京农林科学院中央实验室参与的工作，为生物质废弃物的高值化利用和碳中和目标实现提供了关键技术支撑。