单宁和液滴模板在微流控系统中的作用：用于合成用于捕获二氧化碳的碳胶囊——促进分层多孔结构的形成并提高氮含量

《Microporous and Mesoporous Materials》：Function of tannin and droplet template in microfluidic system to synthesize carbon capsules for carbon dioxides capture: Promoting hierarchical porous structure and nitrogen content

氮掺杂多孔碳制备及CO?吸附性能研究 | 采用微流控技术，以壳聚糖为碳源和氮源，吐纳因促进氮掺杂及孔结构调控，获得分级孔结构氮掺杂多孔碳胶囊，比表面积709.3 m2/g，氮含量3.67 at.%，CO?吸附量达1.40 mmol/g，较传统方法提升13%。

　　这项研究围绕一种新型材料——氮掺杂多孔碳胶囊（CCs）的合成展开，其主要目的是提高二氧化碳（CO?）的捕集效率。随着全球大气中CO?浓度的迅速上升，预计到2100年将达到600 ppm，若当前的排放趋势持续下去，这将对全球气候稳定和生态平衡构成严重威胁。因此，开发高效的碳捕集技术成为应对气候变化的关键之一。目前，传统的碳捕集方法如水溶液胺吸收法需要高能耗，并容易导致设备腐蚀，而膜分离技术则难以在选择性和通透性之间取得平衡。相比之下，多孔碳材料因其原料来源广泛、成本低廉以及环境友好性，成为一种具有潜力的固态吸附剂。特别是氮掺杂多孔碳材料，通过引入氮功能基团，可以增强CO?在碳材料表面和边缘的吸附能力，提升电荷相互作用和范德华力，从而提高CO?的捕集效率。

氮掺杂多孔碳材料在CO?捕集中的重要性源于其独特的化学特性。氮元素的引入可以形成多种类型的氮官能团，如吡啶氮、吡咯氮等，这些官能团在CO?吸附过程中发挥着关键作用。例如，吡啶氮作为一种路易斯碱，能够通过路易斯酸碱相互作用吸附CO?分子。此外，这些氮官能团还可以通过形成氢键或诱导氮孤对与CO?分子中的碳原子之间的相互作用，增强吸附能力。这种化学相互作用使得氮掺杂的多孔碳材料成为CO?捕集的理想选择。然而，实现氮掺杂与多孔结构的同步优化仍然是一个挑战，尤其是在单步合成过程中。

为了解决这一问题，研究团队提出了一种基于微流控技术的简单方法，利用壳聚糖（CTS）作为生物碳前驱体，并通过鞣酸作为氮掺杂促进剂。这种策略不仅能够提高氮掺杂效率，还能优化多孔结构。微流控技术的优势在于其能够实现精确的液滴模板化，从而形成具有分级孔结构的碳材料。相比于传统的化学活化方法，微流控技术不仅避免了设备腐蚀，还能在较低能耗下制备出具有均匀形态的碳材料。在研究过程中，团队发现，通过引入鞣酸作为分散剂和氮掺杂促进剂，可以有效促进CTS分子与表面活性剂Pluronic? F127的自组装，形成具有丰富中孔结构的碳材料，而无需使用醛类交联剂。这种自组装过程能够同时增强氮掺杂效率，并形成具有分级孔结构的碳胶囊。

此外，研究还表明，通过微流控系统中的液滴模板化策略，可以形成微孔结构，而鞣酸的引入则有助于形成中孔结构。这两种孔结构的协同作用能够显著提高CO?的吸附性能。具体而言，研究团队通过实验发现，优化后的样品在微孔体积和中微孔体积方面都有所增加，同时氮含量也显著提升。例如，微孔体积从0.155 cm3/g增加到0.26 cm3/g，氮含量从2.46 at.%增加到3.67 at.%，而CO?的吸附量也从1.03 mmol/g增加到1.40 mmol/g。与不含鞣酸的样品相比，优化后的样品在CO?吸附能力上提高了1.13倍。这说明，鞣酸在提高氮掺杂效率和优化多孔结构方面发挥了重要作用。

研究团队还进一步探讨了鞣酸含量和液滴模板对碳胶囊结构及表面化学特性的影响。通过实验发现，鞣酸的引入不仅能够促进氮官能团的稳定化，还能增强碳材料的表面化学活性。在微流控系统中，鞣酸与表面活性剂Pluronic? F127的自组装过程能够形成中孔结构，而液滴模板化则能够形成微孔结构。这种协同作用使得碳胶囊具有丰富的分级孔结构，从而提高了CO?的吸附性能。同时，这种材料在吸附过程中表现出良好的可回收性，为CO?的捕集提供了新的思路。

为了验证这一方法的可行性，研究团队设计并构建了一种单阶段玻璃毛细管微流控芯片。通过实验发现，这种芯片能够有效地实现液滴模板化，从而形成具有均匀形态的碳胶囊。此外，团队还通过实验测试了不同鞣酸含量对碳胶囊结构和表面化学特性的影响。结果表明，适度引入鞣酸能够显著提高氮掺杂效率，并形成更丰富的分级孔结构。这不仅提高了CO?的吸附性能，还增强了材料的稳定性。因此，这种微流控策略为氮掺杂多孔碳材料的合成提供了一种高效、环保的方法。

在实验过程中，研究团队还利用扫描电镜和氮气吸附仪等技术手段对碳胶囊的结构和性能进行了详细分析。通过扫描电镜观察发现，优化后的样品具有明显的分级孔结构，而未优化的样品则表现出较为均匀的结构。氮气吸附仪的测试结果进一步证实了这一现象，优化后的样品在微孔体积和中微孔体积方面都有所增加，同时氮含量也显著提高。此外，团队还通过实验测试了不同条件下的CO?吸附性能，发现优化后的样品在CO?的吸附量和吸附速率方面都优于未优化的样品。这些结果表明，微流控策略和鞣酸的协同作用能够显著提高碳材料的性能，使其成为CO?捕集的理想选择。

除了对材料结构和性能的优化，研究团队还关注了其在实际应用中的可行性。例如，团队发现，这种材料在吸附过程中表现出良好的可回收性，能够多次使用而不显著降低吸附性能。这使得该材料在工业应用中具有较高的经济价值。此外，团队还探讨了该材料在不同温度和压力条件下的吸附行为，发现其在较低温度和较高压力条件下具有较好的吸附性能。这些结果表明，该材料不仅适用于CO?的捕集，还具有一定的环境适应性。

综上所述，这项研究通过微流控技术实现了氮掺杂多孔碳材料的高效合成，为CO?的捕集提供了新的解决方案。通过引入鞣酸作为氮掺杂促进剂和分散剂，研究团队成功地优化了碳材料的结构和性能，使其在CO?的吸附能力、吸附速率和可回收性方面都得到了显著提升。这些成果不仅拓展了多孔碳材料在CO?捕集领域的应用前景，还为未来的绿色材料开发提供了重要的理论支持和技术基础。