综述：生物质衍生的杂原子掺杂多孔碳用于增强CO2吸附

本综述系统阐述了利用生物质资源合成杂原子（N、S、P、O、B）掺杂多孔碳（PC）材料的最新进展，重点探讨了其在CO2捕获与转化应用中的关键作用。文章深入分析了孔隙结构调控、表面化学修饰（如胺基功能化）及多元素协同掺杂对吸附性能的增强机制（如SSA、IAST评价），并前瞻性地展望了碳捕获与封存（CCS）、碳捕获与利用（CCU）技术的产业化挑战与可持续发展路径。

　　

引言：CO₂排放的挑战与应对策略

近年来，二氧化碳（CO₂）排放导致的全球温室效应呈指数级增长，大气CO₂浓度已超过400 ppm，较19世纪中期上升40%。国际能源署（IEA）报告显示，2023年全球能源相关CO₂排放量达374亿吨。为应对这一危机，碳捕获与封存（CCS）及碳捕获与利用（CCU）技术成为关键解决方案，其中基于多孔材料的吸附法因高效、选择性好而备受关注。

传统CO₂吸附剂的局限性

常规吸附剂如金属有机框架（MOF）、沸石、胺功能化材料等虽具有高吸附容量（2.5–7.0 mmol/g），但存在成本高、水热稳定性差、再生能耗大等问题（见表1）。例如，MOF材料在潮湿环境中易降解，而钙基材料（CaO）因烧结现象导致容量衰减。相比之下，多孔碳（PC）材料因其高比表面积、可调孔结构和低成本优势展现出更大潜力。

多孔碳吸附性能的关键影响因素

物理因素：孔隙结构与比表面积

CO₂吸附能力与比表面积（SSA）和微孔体积直接相关。研究表明，在0.15 bar低压条件下，微孔（<2 nm）的毛细冷凝效应主导吸附过程，而介孔（2–50 nm）则促进气体扩散动力学。Duan等人通过调控孔径分布证明， hierarchical孔结构可显著提升CO₂传输效率（图5）。

化学因素：杂原子掺杂与表面化学

杂原子（如N、S、P）掺杂可通过引入碱性位点增强CO₂的酸-碱相互作用。例如，吡咯氮含量达51.4%的氮掺杂多孔碳在273 K下吸附容量达280.57 mg/g，CO₂/N₂选择性高达115（图6）。胺基（-NH₂）通过化学吸附形成氨基甲酸盐，进一步提升低压下的选择性。

生物质衍生的杂原子掺杂多孔碳合成策略

氮掺杂多孔碳（N-PC）

以生物质（如小麦秆、椰子壳）与含氮前体（如三聚氰胺、尿素）共热解，可制备高氮含量PC。例如，茶籽壳衍生的N-PC比表面积达1187.93 m²/g，CO₂吸附容量为2.75 mmol/g（298 K, 1 bar）。类似地，腐烂草莓合成的N-PC容量达4.49 mmol/g，展示废弃生物质的高值化利用潜力。

硫与磷掺杂多孔碳

硫掺杂可通过葡萄糖与十二烷基硫酸钠（SDS）水热反应实现，最佳材料在273.15 K下吸附容量达6.54 mmol/g（图8）。磷掺杂则利用莲花柄与磷酸前体，获得3.39 wt% P掺杂的PC，容量为4.00 mmol/g（25°C）。硼掺杂碳虽研究较少，但硼酸与β-环糊精制备的材料仍展现648.57 m²/g的比表面积。

多元素协同掺杂

氮硫共掺杂材料（如核桃壳与硫脲制备的NS-PC）通过协同效应提升极性位点密度，吸附容量达5.51 mmol/g（图10）。氮磷共掺杂纤维素气凝胶（NPCA-600–0.5）具有分级孔结构（582.9 m²/g），容量为2.89 mmol/g（图11）。多元素（B、N、P、S）共掺杂材料甚至可实现7.13 mmol/g的高吸附性能。

CO₂向高附加值产品的转化路径

直接应用：工业与民生领域

CO₂直接用于油气采收（提高采油率15–20%）、超临界流体萃取（如植物活性成分）、食品饮料碳化、医疗（肿瘤微环境调控、呼吸 acidosis治疗）及消防（矿井灭火）等领域。干冰清洗技术在航空航天、核设施去污中替代传统有机溶剂，体现绿色工艺优势。

化学转化：燃料与化学品合成

通过加氢反应可将CO₂转化为甲醇（Cu/ZnO催化剂，50–100 bar）、甲烷（Ni/Al₂O₃催化Sabatier反应）、合成气（Ni基催化剂重整）及甲酸（Rh配合物催化）。电化学还原技术利用PdCu/TiO₂等催化剂在常温常压下合成尿素，而CeO₂催化CO₂与甲醇制备碳酸二甲酯（DMC）的工艺已趋成熟。

材料化利用：建筑与纳米技术

CO₂矿化养护混凝土可提升抗压强度并永久封存碳。电解熔融碳酸锂可直接将CO₂转化为碳纳米管（CNT）和螺旋石墨烯（图16），用于高端复合材料制备。

产业化挑战与未来展望

当前技术瓶颈包括低浓度CO₂（0.04%）吸附动力学缓慢、吸附剂再生能耗高（>100°C）、杂质气体（SOx、NOx）毒化以及规模化制备的稳定性问题。未来需开发低成本生物质前体、优化孔结构精准调控策略，并整合生命周期评价（LCA）与技术经济分析（TEA）推动实际应用。

通过跨学科合作与创新材料设计，生物质衍生多孔碳有望在碳中和目标下实现CO₂“捕获-转化”一体化技术突破。