温和K2CO3活化调控竹基碳微孔结构提升CO2捕获性能的机制研究

针对传统活化剂污染严重、工艺复杂的问题，华中师范大学团队创新性采用温和K2CO3一步活化竹粉制备微孔碳材料。所得BPAC-3比表面积达1913.85 m2/g，CO2吸附量达6.08 mmol/g（0°C/1bar），较未活化样品提升2倍。GCMC模拟证实微孔结构优化是性能提升关键，为绿色碳捕集材料开发提供新思路。

　　

【研究背景】
全球CO₂浓度已突破420 ppm，碳捕集技术成为应对气候危机的关键。传统KOH活化法虽能制备高性能活性炭（AC），但其强腐蚀性和环境污染制约应用。竹材作为速生生物质，富含63-85%纤维素/半纤维素，是理想碳源。华中师范大学团队另辟蹊径，选择食品级K₂CO₃作为温和活化剂，试图破解环保与性能难以兼得的困局。

【技术方法】
研究采用竹粉为原料，通过K₂CO₃比例梯度设计（原料/试剂比1:0-1:4），结合70°C水浴混合-800°C一步碳化活化工艺。采用SEM、BET表征孔结构，GCMC模拟吸附机制，并测试CO₂/N₂选择性和循环稳定性。

【研究结果】

1. 材料表征
   SEM显示未活化样品（BPAC-0）呈无孔片层结构，而BPAC-3形成均匀微孔。BET证实其比表面积达1913.85 m²/g，较BPAC-0提升4.9倍，微孔体积占比超80%。

2. 吸附性能
   BPAC-3在0°C/1bar下CO₂吸附量达6.08 mmol/g，是BPAC-0的2倍。Freundlich模型拟合证实多层物理吸附特征，吸附热8-26 kJ/mol表明适中结合力。

3. 机制解析
   GCMC模拟揭示微孔（<1nm）对CO₂的限域效应增强吸附密度。过量K₂CO₃（BPAC-4）导致孔道坍塌，吸附量下降17%，证实"适度活化"原则。

【结论意义】
该研究发表于《Biomass and Bioenergy》，首次阐明K₂CO₃温和活化构建竹基碳微孔结构的"剂量-效应"关系。相比传统方法，工艺简化且环保性显著提升，CO₂/N₂选择性达21.5，5次循环后性能保持92%。为生物质碳材料的绿色制备与碳中和目标实现提供新范式。