异质气凝胶CO2吸附性能的综合研究：从多孔结构设计到实际应用评估

为解决工业烟气中CO2高效捕获难题，研究人员通过合成MTGO/MTR10/MTR20杂化气凝胶，结合羟基吸附位点与异质表面特性，显著提升CO2吸附效率。动力学与等温线分析表明，MTR20因大比表面积和疏水性表现最优，Freundlich模型揭示其多层异质吸附机制，为高温高湿环境下的碳捕集技术提供新思路。

　　

随着全球工业化进程加速，燃煤电厂、钢铁制造和交通运输等行业每年排放约600亿吨CO₂，导致大气浓度突破425 ppm，全球升温1.5°C。传统胺液吸收法存在能耗高、溶剂挥发等问题，而固态吸附剂如沸石和金属有机框架(MOFs)虽具潜力，但面临成本与湿度敏感性挑战。在此背景下，沙特阿拉伯Princess Nourah bint Abdulrahman大学团队在《Surfaces and Interfaces》发表研究，通过将纤维素、氧化石墨烯与硅基材料复合，开发出超疏水异质气凝胶MTGO/MTR10/MTR20，为碳捕集提供创新解决方案。

研究采用两步溶胶-凝胶法，以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)/正硅酸乙酯(TEOS)为共前驱体，整合纤维素羟基与石墨烯的伦敦力作用。通过场发射扫描电镜(FESEM)表征微观结构，结合接触角测试评估疏水性，并系统考察不同温湿度条件下的CO₂吸附性能。

材料表征
FESEM显示气凝胶具有1-4 μm球形硅颗粒构成的宏孔结构，MTR20接触角达152°，证实超疏水特性。比表面积分析揭示其孔隙率显著高于对照组，为CO₂吸附提供理想场所。

吸附动力学
Avrami模型最佳拟合动力学数据，表明吸附涉及物理化学协同机制。MTR20在25°C下吸附速率常数较MTGO提高2.3倍，归因于石墨烯掺杂增强的分子相互作用。

等温线与热力学
Freundlich模型(R²>0.98)表明多层异质吸附特征。MTR20吸附焓(-28.6 kJ/mol)显示强放热特性，且在45°C仍保持85%容量，证实高温适用性。

湿度影响
在70%相对湿度下，MTR20吸附量仅下降12%，显著优于传统胺基吸附剂(通常>30%)，这得益于TMCS改性赋予的疏水表面。

再生性能
经过10次吸附-脱附循环，所有材料保持>95%初始容量，XRD证实晶体结构无变化，凸显工业应用潜力。

该研究通过精准调控气凝胶的化学组成与多级孔结构，首次实现生物基材料与石墨烯的协同增效。MTR20展现的"三位一体"特性——高容量(4.2 mmol/g)、快动力学(20分钟达平衡)和强环境稳定性，为燃煤电厂等高湿度场景提供革命性解决方案。特别是将成本降低至传统MOFs的1/5，同时避免氨基功能化导致的孔结构坍塌，为《巴黎协定》减排目标提供可行技术路径。未来研究可进一步探索工业烟气中SO_x/NO_x共存条件下的选择性吸附机制。