基于木质素废料的高效稳定CO2捕获低成本多孔碳材料研究

本研究针对全球碳减排需求，开发了一种以造纸工业废弃木质素为原料、通过一步活化/碳化法制备的高效多孔碳吸附剂（L-K-2-750）。该材料在25°C和1 bar条件下CO2吸附量达3.75 mmol/g，循环稳定性优异（5次循环后吸附损失<2%），CO2/N2选择性达57.2，再生能耗低（Qst=15.9-23.8 kJ/mol），为生物质资源高值化利用和碳中和目标提供了创新解决方案。

　　

随着全球气候变化加剧，大气中CO₂浓度持续攀升已对生态系统构成严重威胁。尽管《巴黎协定》设定了将温升控制在2°C以内的目标，但现有碳捕集与封存（CCS）技术仍面临成本高、效率低等挑战——目前全球仅捕获不到0.1%的碳排放量，而国际能源署预测到2050年需处理270亿吨CO₂。在各类碳捕集技术中，基于多孔材料的物理吸附法因其工艺简单、再生能耗低等优势备受关注，但现有吸附剂普遍存在原料稀缺、性能不足等问题。

针对这一重大需求，中国科学院广州能源研究所的研究团队创新性地利用造纸工业每年产生的7000万吨木质素废料，通过优化K₂CO₃活化剂比例（质量比2:3）和活化温度（750°C），开发出具有分级孔道结构的生物质多孔碳材料。该研究发表在《Results in Engineering》上，为解决生物质资源高值化利用和低成本碳捕集提供了突破性方案。

研究团队采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、比表面积分析（BET）等表征技术，结合CO₂吸附等温线测试、循环稳定性实验和理想吸附溶液理论（IAST）计算，系统评估了材料性能。通过热重分析（TGA）和Clausius-Clapeyron方程测定了吸附热力学参数。

3.1 多孔碳材料的制备与表征
通过一步活化/碳化法合成的L-K-2-750材料展现出797 m²/g的比表面积和0.33 cm³/g的总孔体积，其XRD谱图显示典型的无定形碳特征（2θ=24°和44°）。SEM图像显示该材料具有丰富的微孔/介孔结构，FTIR谱图中1400 cm^-1处的-COO^-特征峰证实了表面极性基团的存在，这些特性共同促进了CO₂吸附。

3.2 CO₂捕获性能评估
在25°C和1 bar条件下，L-K-2-750的CO₂吸附量达3.75 mmol/g，较未活化样品提升2.4倍；在0°C时更高达4.47 mmol/g。线性回归分析表明，CO₂吸附量与比表面积（R²=0.93）、微孔体积显著相关，证实了孔结构的关键作用。

3.3 稳定性、选择性与再生能耗
经过5次吸附/脱附循环后，材料性能衰减<2%。在15:85的CO₂/N₂混合气中，IAST计算显示其选择性达57.2（25°C）。15.9-23.8 kJ/mol的等量吸附热表明该过程以物理吸附为主，显著低于化学吸附的60-90 kJ/mol，具备低能耗再生优势。

这项研究首次实现了造纸工业木质素废料向高性能CO₂吸附剂的转化，其吸附容量优于多数报道的生物质碳材料（如竹笋壳2.39 mmol/g、葡萄柚皮3.01 mmol/g）。通过建立活化剂比例-孔结构-吸附性能的构效关系，为生物质基碳材料的定向设计提供了科学依据。该技术不仅使每吨木质素废料增值约300美元（按当前碳交易价格估算），更开创了"以废治污"的碳中和新路径，对造纸工业绿色转型具有示范意义。未来研究可进一步探索材料在真实烟气条件下的性能，并开发连续化生产工艺以推动产业化应用。