《Separation and Purification Technology》：Gradient mixed-amine architecture on N/P/O co-doped porous carbon for efficient and stable CO
2 capture from indoor air
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通过壳聚糖-植酸水凝胶制备了含N/P/O杂原子的多孔碳。
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逐步加载TEPA/PEI
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通过壳聚糖-植酸水凝胶制备了含N/P/O杂原子的多孔碳。
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逐步加载TEPA/PEI可形成梯度混合胺结构。
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杂原子位点和梯度胺结构增强了胺的保留能力和稳定性。
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该吸附剂能够在潮湿条件下高效捕获3000 ppm的CO?。
引言
在封闭空间中CO?的持续积累已经成为影响室内空气质量、居住者健康和建筑能源效率的重要问题。办公室、教室、医院和交通工具内部常见的较高CO?浓度与认知性能下降、不适感增强以及通风需求增加有关[1]、[2]、[3]、[4]。传统的缓解措施主要依赖于机械通风；然而，增加室外空气摄入量不可避免地会提高供暖、通风和空调（HVAC）系统的能耗，尤其是在人员密集或气候极端的环境中[5]、[6]。因此，结合空气再循环的室内CO?捕获成为一种有前景的策略，可以将空气质量控制与高能耗的通风分离[7]、[8]、[9]、[10]。这样的应用需要能够在低CO?分压、适中温度和潮湿条件下高效运行的吸附剂，同时保持低再生能量需求和长期稳定性。
固体胺吸附剂特别适用于捕获稀薄的CO?，因为胺基团能够化学结合CO?，并且在ppm级别的浓度下仍保持较强的亲和力[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。与许多纯物理吸附材料不同，胺功能化的吸附剂在潮湿条件下可以维持甚至增强CO?的吸附能力，因为水参与了碳酸氢盐相关的吸附过程，从而提高了胺的利用率[16]、[17]、[18]、[19]。然而，胺功能化多孔材料的实际应用仍受到一些挑战的限制，包括胺的利用率低、粒子内部扩散缓慢、在高胺负载时孔隙堵塞以及热再生过程中胺的逐渐流失[20]。
支载胺吸附剂的性能不仅取决于胺的数量和化学性质，还取决于它们在多孔载体内的空间分布。低分子量的多胺如四乙烯五胺（TEPA）具有高氮密度、低粘度和良好的可及性，但在热再生过程中容易发生迁移、蒸发和逐渐流失[21]。相比之下，聚合物胺如聚乙烯亚胺（PEI）由于其较低的挥发性和与载体的多齿相互作用而表现出更好的热稳定性和循环稳定性，但它们的高粘度和大分子尺寸可能导致孔隙堵塞、扩散受限和胺利用不完全[22]。混合胺系统被提出用于结合不同胺的优点[23]、[24]、[25]、[26]，但传统的一步浸渍方法往往会导致胺的随机混合，从而无法充分利用它们各自的独特和互补性质。
一种克服这一限制的有效策略是在孔网络内合理组织不同的胺。梯度混合胺结构中，反应性强的移动胺组分优先分布在孔内，而更稳定的聚合物胺则富集在表面或孔口区域，这样可以同时提高CO?的可及性和胺的保留能力。这样的设计需要具有适当孔隙层次结构和表面化学性质的载体。分级多孔碳因其可调节的孔结构而成为理想的选择；微孔和较小的介孔有助于胺的分散和浸渍以及CO?的富集，而较大的介孔和宏观孔则允许快速的气体传输[27]、[28]、[29]、[30]。同时，杂原子掺杂可以引入极性表面位点，从而增强与非胺的的非共价相互作用，提高胺层的稳定性。特别是含N/P/O的功能团可以提供氢键、静电和偶极相互作用，帮助固定胺，而不会完全牺牲其对CO?的活性[31]、[32]、[33]。
出于这些考虑，我们报道了一种基于含N/P/O杂原子的多孔碳构建的梯度混合胺结构，用于高效稳定的室内空气CO?捕获。首先系统地制备并评估了不同孔结构的多孔碳基质，以明确孔隙可及性和限制对胺的容纳及CO?扩散的影响。然后采用顺序浸渍策略在优化的碳基质中实现TEPA和PEI的空间排列，旨在结合TEPA的高CO?反应性和PEI的优异固定和稳定性能。在这种设计中，杂原子掺杂的碳表面提供了协同的非共价相互作用，有助于胺的固定，而梯度的TEPA/PEI分布提高了反应位点的可及性，并抑制了反复吸附-解吸过程中的胺损失。通过关联载体结构、碳-胺界面相互作用、胺层结构和CO?捕获性能，这项工作为设计用于室内CO?捕获的稳健固体胺吸附剂提供了可行的策略。
章节摘录
用于控制胺负载的多孔碳载体的结构调控
为了制备高效的固体胺吸附剂以捕获低浓度的CO?，多孔碳载体应同时提供足够的孔体积以容纳胺，相互连接的介孔/宏观孔以实现CO?的扩散，以及表面杂原子位点以稳定胺。因此，使用KHCO?活化来调节由壳聚糖、植酸和PEI制成的含N/P/O碳前体的孔结构。所得的碳基质被命名为…
结论
总之，通过集成KHCO?调控的孔工程、N/P/O杂原子掺杂的界面固定以及TEPA和PEI的顺序加载，制备了一种用于捕获室内空气中CO?的梯度混合胺固体吸附剂。优化的1 K多孔碳基质提供了平衡的孔结构，实现了有效的胺限制，同时保持了CO?扩散的通道。光谱分析和DFT计算证实了含吡啶氮和氧的…
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
作者：Tuo Zhao | Zhaowei Xu | Yingxia Yang | Zhichao Wang```
