《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Alkali-metal-doped biomass-derived ultramicroporous carbon for efficient CO
2 capture and solar-driven regeneration: synergistic enhancement of adsorption and photothermal conversion
编辑推荐：
•合成了生物质衍生的碱金属掺杂碳材料，用于二氧化碳（CO?）的捕获和再生。•碱金属掺杂增强了材料的超微孔结构、表面化学性质和光热响应能力。•在常压条件下，掺钠（Na）的碳材料显示出最高的CO?吸附能力，为5.63 mmol/g?1。•钠掺杂提高了CO?与氮气（N?）的分选性，并促
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合成了生物质衍生的碱金属掺杂碳材料，用于二氧化碳（CO?）的捕获和再生。
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碱金属掺杂增强了材料的超微孔结构、表面化学性质和光热响应能力。
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在常压条件下，掺钠（Na）的碳材料显示出最高的CO?吸附能力，为5.63 mmol/g?1。
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钠掺杂提高了CO?与氮气（N?）的分选性，并促进了低能耗下的太阳能驱动脱附过程。
引言
在全球气候变化和极端天气事件日益频繁的背景下，控制温室气体排放以及推进“碳达峰和碳中和”已成为许多国家的常见战略选择。其中，二氧化碳（CO?）是最主要的人为温室气体，其高效捕获和减排是建立低碳能源系统和绿色工业体系的关键步骤[1]。尽管当前工业中广泛使用的胺溶液化学吸收工艺在技术上已经成熟，但它面临设备腐蚀、溶剂蒸发损失、高再生能耗以及显著的环境负担等问题，这使得难以满足未来大规模、低成本CO?捕获的需求[2][3]。因此，开发高效的固体吸附剂和构建低能耗、可循环的CO?吸附-脱附过程被视为CO?捕获技术突破的重要方向。
多孔碳材料因具有广泛的可用性、低成本、优异的热/化学稳定性以及可调的孔结构和表面化学性质，在CO?吸附与分离领域受到了广泛关注[4][5][6]。与基于煤炭或石油的多孔碳材料相比，由可再生生物质（如农作物秸秆和林业残留物）制成的多孔碳材料有助于高价值利用农业废弃物，并可能降低生命周期的碳强度，这与绿色、低碳和循环经济的目标相一致[7][8]。先前的研究表明，用KOH活化的机械压实小麦秸秆可以形成具有较大孔体积的发达超微孔结构，同时材料的表面富含C–OH等含氧官能团[9]。这些含氧官能团可以增强材料对极性分子的亲和力，并作为碱金属（AM）阳离子的锚定位点，为构建具有活性中心的多功能CO?吸附剂提供了理想的基底[10][11]。
虽然超微孔的丰富化和表面极性官能团的引入有助于提高CO?的物理吸附能力和CO?/N?的选择性，但仅依赖孔结构和弱相互作用往往在低压条件下无法实现更高的吸附和分离性能[12][13]。最近的理论研究表明，在多孔碳材料表面引入正电荷离子（如Li?、Na?和K?）等正电性和路易斯酸性位点，可以显著增强CO?分子与材料之间的静电和特异性相互作用[14][15]。这些静电相互作用发生在正电荷离子（如Li?、Na?和K?）吸引CO?分子中的负氧原子时，从而改善了CO?的捕获效果。此外，碱金属阳离子可能与表面含氧官能团形成多种配位环境，它们的空间构型和电荷分布可以协同影响CO?吸附的热力学和动力学，从而决定吸附-脱附过程的可逆性和循环稳定性。然而，不同碱金属与其配位环境以及CO?吸附性能之间的定量关系仍不明确，急需系统地研究结构-性能关系和机制。
另一方面，高性能吸附剂的实际应用不仅取决于其吸附能力和选择性，还取决于脱附和再生过程中的能耗和操作简便性[16][17][18]。传统的热再生方法通常存在热效率低、能耗高以及可能损坏材料结构或位点稳定性等问题[19][20]。利用多孔碳材料广泛的光吸收和高效光热转换特性，可以利用太阳能和其他可再生能源提供局部、快速的加热，从而促进CO?的脱附[21][22][23]。这种方法为降低再生过程中的能耗和简化工艺提供了有希望的途径。此外，引入碱金属活性位点还可能进一步影响多孔碳内部的电子结构和热分布，从而将温度升高与CO?脱附动力学联系起来，形成“超微孔、碱金属活性位点和光热转换”之间的更复杂协同机制。然而，目前仍缺乏足够的实验验证和理论解释来完全支持这一机制。
在本研究中，使用了KOH活化和机械压实的小麦秸秆衍生多孔碳作为基底。通过碱金属氢氧化物溶液（Li、Na和K）引入活性位点，并全面考察了不同碱金属对材料的孔结构、表面化学性质和CO?吸附性能的影响。此外，还在模拟日光条件下评估了样品的CO?脱附行为和循环稳定性。通过结构表征和理论模拟，研究了超微孔、碱金属活性位点与光热转换之间的协同机制。本研究有望为碱金属掺杂生物质衍生超微孔碳材料的可控制备和机制理解提供理论支持，并为设计高性能CO?吸附剂以用于太阳能驱动的再生提供新的见解和实验基础。
章节片段
材料制备
富氧多孔碳的合成方法与我们之前的报告类似[24]。简要来说，将4 g小麦秸秆粉和60 mL去离子水加入100 mL高压反应器中，在200 °C下进行6小时的水热处理，得到水热碳前体。然后，将1 g水热碳与2 g KOH混合并在研钵中充分研磨。接着在3吨的压力下用粉末造粒机制成药粒。
生物质衍生多孔碳的结构和化学性质
为了提供碱金属处理引起的结构变化的直接形态证据，进一步进行了扫描电子显微镜（SEM）、扫描电子显微镜结合能量分散X射线光谱（SEM-EDS）和透射电子显微镜（TEM）分析。如图1a,b所示，原始WS700表现出相对紧凑的片状形态和更光滑的表面，而NaWS700则展现出更多蚀刻和多孔的纹理，并含有丰富的孔洞
结论
总之，本研究展示了碱金属掺杂的生物质衍生超微孔碳在CO?吸附和太阳能驱动脱附方面的综合改进。碱金属掺杂显著增强了CO?的吸附能力，其中掺钠的样品表现最佳，同时也提高了CO?/N?的选择性。从机制上看，CO?的捕获受到超微孔填充和碱金属增强表面相互作用的协同效应的影响。
CRediT作者贡献声明
马先成：撰写 – 审稿与编辑，研究调查，资金获取。曾铮：资源获取，方法论设计。李丽卿：验证，概念化设计。薛瑞琪：研究调查，正式分析，数据管理。郭杨：撰写 – 审稿与编辑，软件使用，资金获取。叶拓：初稿撰写，软件使用，正式分析。郭鹏程：方法论设计，资金获取。
下列署名的作者声明他们与任何组织或实体不存在任何形式的财务关联或利益关系（例如酬金；教育资助；参与演讲机构；会员资格、雇佣、咨询工作、股票所有权或其他股权利益；以及专家证词或专利许可安排），也没有非财务利益关系（例如个人或专业关系、隶属关系、知识或信仰等）
本研究得到了中国国家自然科学基金（52475344）、湖南省自然科学基金（2025JJ50095）、深圳市自然科学基金（QNXMC20250701091020026）、湖南工业大学研究基金（6025310024K）、湖南省科技创新计划（2024RC3195）以及湖南省自然科学基金联合地方基金（2024JJ7647）的支持。
Tuo Ye|Pengcheng Guo|Ruiqi Xue|Yang Guo|Baogen Liu|Zheng Zeng|Liqing Li|Xiancheng Ma
