功能化磁性纳米颗粒增强物理与化学吸收剂中CO2高效捕集的研究

为解决全球变暖背景下CO2减排难题，研究人员通过功能化Fe3O4磁性纳米颗粒（MNPs）结合SiO2包覆及聚乙烯亚胺（PEI）、谷氨酰胺修饰，显著提升纳米流体在物理（水、NMP）和化学（MDEA）吸收剂中的CO2捕集效率。实验表明，0.075 wt% Fe3O4@SiO2-PEI纳米流体使CO2吸收率提升54.10%，超声辅助进一步优化性能。该研究为工业烟气处理提供了低能耗、高稳定性的新型纳米吸收剂方案。

　　

全球变暖已成为21世纪最严峻的环境挑战之一，而二氧化碳（CO₂）作为主要的温室气体，其排放主要源于化石燃料燃烧。尽管碳捕集与封存（CCU）技术如吸收法、吸附法和膜分离等已广泛应用，但传统溶剂存在吸收效率低、能耗高等瓶颈。纳米流体因其独特的界面效应和质量传递增强特性，被视为突破性解决方案。然而，纳米颗粒的分散稳定性、功能靶向性及与基液协同机制仍是待解难题。

在此背景下，研究人员通过创新设计磁性纳米颗粒体系，将Fe₃O₄核与SiO₂壳结构结合，并引入聚乙烯亚胺（PEI）和谷氨酰胺功能团，构建了兼具高稳定性和定向吸附能力的纳米吸收剂。研究采用共沉淀法和改进的St?ber法合成纳米颗粒，通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和动态光散射（DLS）验证了核壳结构；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）确认了功能团修饰；通过连续鼓泡柱反应器系统评估CO₂吸收性能，并引入超声辅助强化传质。

结构表征与稳定性

XRD显示Fe₃O₄@SiO₂在20°出现非晶SiO₂特征峰，证实成功包覆。SEM显示功能化后颗粒尺寸从81.4 nm增至109.7 nm，但Zeta电位测试表明SiO₂包覆使纳米流体稳定性显著提升（0.075 wt%时电位达38.6 mV），克服了传统Fe₃O₄易团聚的缺陷。

吸收性能优化

在物理吸收剂水中，0.075 wt% Fe₃O₄@SiO₂-PEI使CO₂吸收率提升54.10%，远高于未包覆样本（21.44%）。对于化学吸收剂MDEA，相同负载下吸收率提高12%，表明功能化纳米颗粒对复杂基液仍具增效作用。超声辅助进一步将吸收性能提升16.3%，其机制归因于声空化效应促进纳米颗粒分散和气泡破碎。

再生与机制

五次循环实验显示，Fe₃O₄@SiO₂-PEI纳米流体再生后吸收效率下降，FTIR证实CO₂在PEI氨基位点的化学吸附不可逆。但相比传统胺法，该体系在物理溶剂中展现更优的可持续性，为低能耗捕集技术提供新思路。

这项研究通过多尺度结构设计和过程强化，实现了纳米流体在CO₂捕集中的效率与稳定性突破。Fe₃O₄@SiO₂-PEI纳米颗粒的核壳协同效应和氨基定向吸附机制，为工业烟气处理提供了可规模化的解决方案，尤其适用于对腐蚀敏感的物理吸收系统。未来研究可进一步探索磁性回收与功能团再生技术的集成，推动纳米吸收剂的实际应用。论文发表于《Journal of CO₂ Utilization》，为碳中和技术领域贡献了重要方法论。