生物质废弃物“太湖蓝藻”的升级转化：制备N-自掺杂活化碳，用于高效吸附二氧化碳

《Surfaces and Interfaces》：Upcycling of Biomass Waste “Taihu Cyanobacteria” to N-Self-Doped Activated Carbons for Efficient CO 2 Adsorption

蓝藻生物质废料经碳化及KHCO3热化学活化制备氮掺杂多孔活性炭，比表面积达1712-2617 m2/g，微孔体积0.49-1.05 cm3/g，0℃下CO?吸附容量5.55 mmol/g，具有高选择性和循环稳定性。

　　在当今社会，随着工业化和农业活动的不断推进，大气中二氧化碳（CO?）的浓度持续上升，引发了全球范围内的广泛关注。CO?的过量排放不仅加剧了全球变暖，还导致极端气候事件频发以及海洋酸化等一系列环境问题。为应对这一挑战，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被视作解决碳排放问题的重要手段。其中，固体吸附剂因其高效、灵活和环保等优势，在CO?捕集领域占据重要地位。活性炭（ACs）作为一类常见的吸附材料，因其可调控的结构特性、高比表面积、良好的化学稳定性和低廉的再生成本，被广泛应用于CO?吸附过程中。然而，面对日益增长的碳减排需求，传统活性炭的吸附能力与选择性亟需提升，从而推动了新型高级活性炭材料的研发。

为了提高活性炭的吸附性能，研究者们不断探索其结构优化与表面功能化的方法。其中，热化学活化被认为是一种更为有效的手段，相较于物理活化，它能够形成更丰富的孔隙结构，并实现对碳材料表面的化学修饰。热化学活化过程中，常用的活化剂包括氢氧化物、碳酸盐、碳酸氢盐等碱金属化合物，以及ZnCl?和NaNH?等其他化学物质。这些活化剂的种类与用量在很大程度上决定了活性炭的孔隙结构、表面化学性质、颗粒形态以及最终的产率。尽管使用KOH等强碱性活化剂可以制备出具有优异性能的活性炭，但其在制备过程中可能带来较强的碱性环境，进而引发严重的环境问题，并增加设备维护成本。因此，开发一种既能有效活化碳材料，又具备环境友好特性的新型活化剂，成为当前研究的重要方向。

钾碳酸氢盐（KHCO?）作为一种温和的活化剂，近年来在制备多孔碳材料方面展现出广阔的应用前景。KHCO?在热活化过程中，会经历一系列化学反应，生成K?CO?、CO?和H?O。这些反应产物不仅能够形成碱性环境，促进碳框架的蚀刻反应，从而产生丰富的微孔和介孔结构，还能通过气体膨胀作用，改善碳材料的颗粒形态，减少团聚现象，形成宏观孔隙。微孔和介孔的形成主要依赖于活化剂与碳材料之间的反应，尤其是在高温条件下（如700°C以上），K?CO?的分解会产生CO?，进一步诱导碳材料的气化反应，扩大已形成的孔隙结构。因此，KHCO?作为一种温和活化剂，在热活化过程中能够有效构建多孔结构，同时保持较高的产率，并减少有害副产物的生成。

在众多生物质废弃物中，藻类因其丰富的有机成分和较高的氮含量，成为制备高性能氮掺杂活性炭的理想原料。藻类主要由碳、氧和氮等元素构成，相较于木质纤维素类生物质废弃物，其氮含量更高，这使得藻类在制备氮掺杂活性炭时具有独特的优势。例如，研究者们已成功利用 Spirulina 和 Chlorella 等藻类作为前驱体，通过碳化和KOH热化学活化工艺，制备出具有优异CO?吸附性能的氮掺杂活性炭材料。此外，其他藻类来源，如 Chlorococcum sp. 和 Nannochloropsis salina，也被用于制备高性能氮掺杂活性炭，通过水热碳化和KOH热化学活化工艺，实现了对CO?的有效捕集。

基于藻类在制备氮掺杂活性炭方面的潜力，本研究选择了一种富含氮元素的太湖蓝藻（CB）粉末作为前驱体，通过连续的碳化和KHCO?热化学活化工艺，制备出具有丰富微孔结构的氮自掺杂活性炭材料（KHACs）。该工艺不仅能够有效构建多孔结构，还能在不引入额外氮源的情况下，实现对活性炭的氮自掺杂。通过系统研究活化参数对CB衍生活性炭孔隙结构和表面化学的影响，本研究成功制备出具有高比表面积（1712?2617 m2/g）和大微孔体积（0.49?1.05 cm3/g）的KHACs材料。同时，这些材料在CO?吸附方面表现出卓越的性能，包括在1 bar压力下，0°C和25°C时的CO?吸附容量分别为5.55 mmol/g和3.34 mmol/g，以及CO?/N?选择性达到33.4，同时具备良好的循环稳定性。

本研究中，KHACs材料的微孔和介孔结构主要由KHCO?的热化学活化过程形成。微孔的形成依赖于活化剂与碳材料之间的蚀刻反应，而介孔的生成则与气体膨胀作用密切相关。此外，微孔的孔径分布和总氮含量在CO?吸附过程中起着关键作用。研究表明，微孔的孔径越小，CO?分子的吸附能力越强，这与微孔的物理特性密切相关。同时，氮的掺杂不仅能够提升活性炭的表面化学活性，还能通过引入氮原子改变材料的电子结构，从而增强其对CO?的吸附能力。因此，KHACs材料的高氮含量与丰富的微孔结构相结合，使其在CO?吸附方面表现出显著优势。

此外，本研究还探讨了不同KHCO?/CB粉末比例和活化温度对KHACs材料性能的影响。通过调整这些参数，研究者们能够控制活性炭的孔隙结构和氮含量，从而优化其CO?吸附能力。实验结果表明，合适的KHCO?/CB比例和活化温度可以有效提升活性炭的比表面积和微孔体积，同时保持较高的氮掺杂水平。这些发现不仅为藻类废弃物的资源化利用提供了新的思路，也为设计和优化高性能氮掺杂活性炭材料提供了理论依据和实践指导。

本研究的成功不仅在于其对藻类废弃物的高效利用，更在于其对CO?吸附性能的显著提升。通过将天然藻类作为前驱体，并结合温和的KHCO?热化学活化工艺，研究者们成功制备出具有高吸附容量和良好选择性的氮自掺杂活性炭材料。这种材料不仅能够有效捕集CO?，还能在多次循环使用后保持稳定的吸附性能，为碳捕集技术的发展提供了新的方向。同时，该研究还强调了生物质废弃物资源化利用的重要性，通过将废弃藻类转化为高附加值的活性炭材料，不仅有助于缓解环境问题，还能为可持续发展提供支持。

本研究的意义在于，它提供了一种可行的策略，将藻类生物质废弃物转化为高性能氮掺杂活性炭材料，从而实现资源的循环利用。此外，该研究还揭示了KHCO?热化学活化在构建多孔结构和实现氮自掺杂方面的独特优势，为今后开发新型活性炭材料提供了新的思路。通过系统研究活化参数对材料性能的影响，本研究不仅优化了KHACs的结构特性，还为设计和制备适用于CO?捕集的高性能活性炭材料奠定了基础。

综上所述，本研究利用太湖蓝藻粉末作为前驱体，通过连续的碳化和KHCO?热化学活化工艺，成功制备出具有丰富微孔结构和高氮含量的氮自掺杂活性炭材料（KHACs）。这些材料在CO?吸附方面表现出优异的性能，包括高吸附容量、良好的CO?/N?选择性以及稳定的循环性能。通过调整活化参数，研究者们能够有效调控KHACs的孔隙结构和氮含量，从而实现对材料性能的优化。本研究不仅为藻类废弃物的资源化利用提供了新思路，也为设计和制备高效CO?捕集材料提供了理论依据和实践指导。这种将天然生物质转化为高附加值材料的方法，为实现社会的高质量和可持续发展提供了重要支持。