无机动态造孔剂改性提升商用活性炭CH4/N2吸附分离性能研究

【编辑推荐】针对煤层气（CBM）中CH4/N2分离效率低的问题，研究人员通过CuCl2动态造孔改性商用活性炭（AC），利用CuCl高温挥发特性均一化微孔分布，使CH4/N2选择性从4.44提升至7.53。该研究为低成本AC改性提供了新策略，助力低碳能源利用与温室气体减排。

　　

煤层气（CBM）作为重要的低碳能源，却因CH₄浓度低且难以与N₂高效分离而常被直接排放，加剧温室效应。CH₄的全球增温潜势是CO₂的21-28倍，开发高效吸附材料成为关键。商用活性炭（AC）虽成本低廉，但其微孔分布不均且尺寸不适，导致CH₄/N₂选择性普遍低于5。山西大学等机构的研究团队创新性地提出利用CuCl₂高温分解产生CuCl动态造孔的策略，通过聚多巴胺（PDA）辅助均匀负载CuCl₂，经热处理后成功将AC的CH₄/N₂选择性提升70%，相关成果发表于《Separation and Purification Technology》。

研究采用原位X射线衍射（in-situ XRD）证实CuCl挥发机制，结合77 K N₂吸附-脱附曲线和理想吸附溶液理论（IAST）分析，发现改性后AC微孔分布集中于0.5-0.8 nm最佳范围。突破性实验显示，AC-PDA-30%样品在298 K下CH₄吸附量达18.19 cm³/g，选择性跃升至7.53。

【材料与方法】
团队通过PDA络合作用将CuCl₂·2H₂O均匀负载于AC表面，经高温处理实现动态造孔。采用比表面积分析（BET）、扫描电镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）表征材料特性，通过IAST模型计算选择性，并结合穿透曲线验证分离性能。

【研究结果】

1. 孔结构调控机制：原位XRD揭示CuCl₂在400-600°C转化为挥发性CuCl，形成尺寸均一的微孔。
2. 吸附性能提升：改性AC的CH₄吸附量保持18 cm³/g水平，而N₂吸附量显著降低，推动选择性突破。
3. 实际分离验证：穿透实验显示改性AC对CH₄/N₂（1:1）混合气的分离因子达6.8，优于原始AC的4.1。

【结论与意义】
该研究开创了无机动态造孔剂改性AC的新路径，通过CuCl挥发精准调控微孔结构，解决了传统AC孔分布不均的核心问题。相比有机造孔剂，该方法工艺简单、成本低廉，为CBM富集提供了可规模化应用的吸附材料，同时为其他气体分离体系的设计提供借鉴。Yang Cancan等作者强调，未来可拓展至其他金属氯化物体系，进一步优化孔道化学环境。