新型多孔Li4SiO4空心微球构建及其低温CO2捕集性能调控机制研究

为解决固相法合成Li4SiO4吸附剂CO2捕集性能差的瓶颈问题，研究人员通过喷雾干燥法构建了K掺杂多孔空心微球结构。该材料在15 vol%低浓度CO2条件下展现出0.326 gCO2/gsorbent的高吸附容量和优异循环稳定性，为工业碳捕集提供了新策略。

　　

随着化石燃料大规模使用导致大气CO₂浓度攀升至419.3 ppm，开发高效碳捕集技术成为实现碳中和的关键。在众多高温固体吸附剂中，Li₄SiO₄因其适中的吸附温度（500-715℃）和理论容量（0.367 g_CO2/g_sorbent）备受关注，但传统固相法制备的材料存在颗粒团聚、传质效率低等问题。北京理工大学（根据文末基金编号51972018推断）的研究团队创新性地采用喷雾干燥工艺对固相法Li₄SiO₄进行改性，相关成果发表在《Social Science》上。

研究通过优化前驱体球磨时间（20 h）和悬浮液固含量（15 wt%），结合NH₄HCO₃和KHCO₃双模板策略，成功构建了具有分级孔道的K掺杂空心微球结构。主要技术包括：悬浮液参数优化、喷雾干燥成型、孔隙模板调控及熔盐掺杂等。

材料与方法

采用球磨-喷雾干燥联用技术，通过Boltzmann方程计算颗粒扩散系数确定最佳前驱体粒径（<1 μm）。以PMMA为硬模板、NH₄HCO₃为气体模板，配合KHCO₃实现孔隙构建与K⁺掺杂同步完成。

结果与讨论

1. 空心结构形成机制：小粒径前驱体（D_c=kT/6πμ_cR）在液滴蒸发过程中产生定向迁移，形成中空结构。15 wt%固含量平衡了壳层厚度与结构完整性。

2. 多孔调控效应：NH₄HCO₃分解产生纳米级孔隙，KHCO₃通过熔盐效应促进Li⁺空位形成，使吸附速率提升至0.261 g_CO2/(g_sorbent·min)。

3. 低温性能突破：K⁺掺杂降低Li₂CO₃共晶点，使材料在15 vol%低浓度CO₂条件下仍保持90%以上循环稳定性。

该研究开创了固相法衍生材料形态调控的新思路，提出的"孔隙-掺杂"协同策略为工业级CO₂捕集材料设计提供了重要参考。特别是KHCO₃作为双功能添加剂的创新应用，实现了吸附动力学与结构稳定性的同步提升，对推动CCUS技术商业化具有里程碑意义。