基于β-Spodumene-Derived Li?SiO?的吸附剂：通过无需纯化的方式捕获二氧化碳（CO?）

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：β-Spodumene-Derived Li 4SiO 4-based Sorbents for CO 2 Capture via a Purification-Free Approach

利用β-刚玉石与NaOH机械活化反应直接合成Li4SiO4基吸附剂，无需纯化步骤。研究表明，2:1的刚玉石与NaOH摩尔比制备的吸附剂在650℃下经20次循环后CO2吸附量为0.247g/g，杂质Na促进活性相Li3NaSiO4形成，提升吸附量；Al抑制烧结，提高循环稳定性。通过两阶段Avрами-Ерофеев/收缩核心模型解析残留元素主导的吸附动力学，并证实杂质对结构稳定性的协同作用。该工艺较传统方法成本降低64.8%，为锂矿直接制备高效吸附剂提供新路径。

　　本研究聚焦于一种新型的高温度二氧化碳捕集材料——基于Li?SiO?的吸附剂。这类吸附剂在高温度环境下的应用潜力巨大，尤其在减少碳排放和应对全球气候变化方面展现出独特优势。然而，传统的Li?SiO?吸附剂合成方法通常依赖于高纯度的锂源，如碳酸锂（Li?CO?）等，这不仅增加了材料的制备成本，也限制了其在工业规模上的应用。为此，本研究提出了一种无需复杂纯化步骤的合成方法，利用天然矿物β-锂辉石作为锂源，结合氢氧化钠（NaOH）通过机械化学活化技术制备Li?CO?前驱体，并进一步与气相二氧化硅进行固态合成，最终得到高性能的Li?SiO?吸附剂。

β-锂辉石是一种常见的锂铝硅酸盐矿物，其结构包含三种晶型：单斜α相、四方β相和六方γ相。其中，β相因其较高的化学活性和对溶剂的亲和性，成为工业锂提取的首选材料。传统锂提取方法包括硫酸法、氢氟酸法、氯化焙烧法以及碳酸钠法等，虽然能够实现较高的锂回收率，但这些方法往往需要复杂的纯化步骤来去除钠、钾、钙和镁等杂质，以获得高纯度的锂盐。这不仅增加了能源消耗和成本，还带来了环境污染和资源浪费的问题。因此，开发一种能够直接利用矿物中固有成分的合成方法，具有重要的现实意义。

本研究通过控制β-锂辉石与氢氧化钠的摩尔比例，利用机械化学活化技术实现Li?CO?前驱体的制备，并结合气相二氧化硅进行固态合成。实验过程中，采用多种表征手段，包括X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、扫描电镜-能谱（SEM-EDS）以及比表面积分析（BET），系统研究了材料的相组成、分子结构和微观形貌对二氧化碳吸附性能的影响。同时，通过两阶段吸附动力学模型分析了温度对吸附性能的作用机制，并结合原位XRD和原位拉曼光谱技术，揭示了残留钠和铝元素对吸附性能的促进作用。

在实验中，发现当β-锂辉石与氢氧化钠的摩尔比为2:1时，制备出的吸附剂在650°C下经过20次循环，表现出最高的二氧化碳吸附量，达到0.247 g/g。这一结果表明，通过调节原料比例可以有效优化吸附性能，而无需依赖传统纯化步骤。此外，残留的钠和铝元素在吸附过程中发挥了不同的功能：钠元素促进了Li?NaSiO?相的形成，从而增强了二氧化碳的吸附能力；铝元素则通过生成LiAlO?晶相，抑制了材料的烧结现象，提高了吸附剂的循环稳定性。这种利用矿物中固有杂质作为功能性组分的方法，不仅降低了生产成本，还提升了材料的性能表现。

本研究还提出了一种两阶段的Avrami-Erofeev/收缩核心模型，用于解析二氧化碳吸附的动力学过程。该模型能够更准确地描述在不同反应路径下吸附剂的反应行为，为后续的材料优化和工艺设计提供了理论依据。实验结果表明，该方法在能耗和成本方面具有显著优势，为实现大规模、可持续的二氧化碳捕集提供了可行的技术路径。同时，这一研究也为锂资源的高效利用和循环利用提供了新的思路，有助于推动绿色低碳技术的发展。

从全球能源转型的背景来看，化石燃料仍然是主要的碳排放来源，尽管其使用正在逐步减少，但其在能源结构中的占比依然较高。随着全球气候变化的加剧，大气中的二氧化碳浓度持续上升，预计到2050年将超过500 ppm。这一趋势对人类生存环境构成了严重威胁，因此，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被认为是减少碳排放的重要手段之一。在CCUS技术中，后燃烧捕集因其可应用于现有燃煤电厂而具有广泛的应用前景，而固态吸附方法则因其安全性、环境友好性和高热稳定性成为首选方案。

固态吸附材料根据其反应温度可分为低温（<200°C）、中温（200~400°C）和高温（>400°C）吸附剂。其中，基于Li?SiO?的吸附剂因其在高温下的优异性能而受到广泛关注，包括较高的循环稳定性、较低的再生温度以及良好的二氧化碳吸附能力。其基本反应遵循可逆方程式：Li?SiO? + CO? ? Li?SiO? + Li?CO?。这一反应能够在高温下有效进行，同时保持材料的结构完整性，使其具备长期循环使用的潜力。

传统的Li?SiO?吸附剂合成方法通常需要高纯度的锂源和二氧化硅，这导致了较高的生产成本。然而，本研究通过直接利用β- lithium辉石作为原材料，结合氢氧化钠进行机械化学活化，成功制备了Li?CO?前驱体，并进一步与气相二氧化硅结合，实现了吸附剂的高效合成。这种方法不仅避免了复杂的纯化步骤，还利用了矿物中的固有成分，从而降低了生产成本。实验结果显示，与使用商业碳酸锂制备的Li?SiO?吸附剂相比，该方法的生产成本降低了64.8%，具有显著的经济优势。

此外，研究还发现，适量的钠和铝元素残留对吸附性能具有积极影响。钠元素能够促进Li?NaSiO?相的形成，从而增强材料的二氧化碳吸附能力；而铝元素则通过生成LiAlO?晶相，有效抑制了材料的烧结现象，提高了其循环稳定性。这些结果表明，材料的性能优化不仅依赖于其主成分的纯度，还与残留元素的分布和作用密切相关。因此，合理控制原料比例和工艺条件，对于提升吸附剂的性能表现至关重要。

在实验过程中，采用了一系列先进的表征技术，包括XRD、拉曼光谱、SEM-EDS和BET，对材料的相组成、分子结构和微观形貌进行了系统分析。这些技术能够直观地反映材料的物理化学特性，为后续的性能优化提供了重要依据。同时，通过两阶段吸附动力学模型分析了温度对吸附性能的影响，揭示了不同温度条件下吸附剂的反应行为。这一模型的建立不仅有助于理解吸附过程的机理，还为优化吸附剂的性能提供了理论支持。

本研究的创新点在于提出了一种无需纯化步骤的合成方法，利用天然矿物直接制备高性能的Li?SiO?吸附剂。这种方法不仅简化了工艺流程，还降低了生产成本，为实现大规模、可持续的二氧化碳捕集提供了可行的技术路径。此外，通过合理控制原料比例和工艺条件，材料的性能表现得到了显著提升，使其在高温环境下的应用更加广泛。这些结果表明，基于Li?SiO?的吸附剂不仅在实验室条件下表现出优异的性能，还具备工业应用的潜力。

随着全球对碳减排的需求日益增加，基于Li?SiO?的吸附剂作为一种高效、环保的材料，其应用前景广阔。未来，该材料有望在燃煤电厂、工业废气处理等领域得到广泛应用，为减少温室气体排放提供技术支持。同时，该研究也为其他类型的吸附材料的开发提供了新的思路，即通过合理利用原料中的固有成分，实现材料的性能优化和成本降低。这种创新性的研究方法不仅推动了吸附材料的发展，还为可持续能源利用和环境保护提供了新的方向。

总之，本研究通过一种无需纯化步骤的机械化学活化方法，成功制备了高性能的Li?SiO?吸附剂，其在高温下的二氧化碳吸附能力显著优于传统方法。同时，残留的钠和铝元素在吸附过程中发挥了不同的功能，分别提升了吸附能力和循环稳定性。这些结果不仅为二氧化碳捕集技术的发展提供了新的思路，还为锂资源的高效利用和循环利用提供了可行的解决方案。未来，随着该技术的进一步优化和推广，有望在工业应用中发挥更大作用，为实现绿色低碳发展做出贡献。