通过清洁氧化方法改性的活性炭对二氧化碳的吸附性能得到提升

《Journal of the Energy Institute》：Enhanced adsorption of CO2 on activated carbon modified by a clean oxidation method

改性后的活性炭通过UV/H2O2氧化技术增强表面活性位点，提升CO2吸附能力，优化参数为3% H2O2浓度和25°C，吸附容量达3.36 mmol/g，再生性能优异（衰减2.1%），选择性29。

　　

王燕|唐向刚|吴鹏菊|谢文霞|刘阳贤

江苏大学能源与动力工程学院，镇江，212031，中国

摘要

活性炭（AC）通过清洁的UV/H₂O₂氧化技术进行改性，以增加其表面活性官能团/活性位点并提高其CO₂吸附性能。采用BET、SEM、FTIR、XPS、DFT等方法对UV/H₂O₂改性的AC的孔结构及化学性质进行了分析。研究了ACUV3的最佳制备/操作参数、增强效果、吸附机制、再生能力以及CO₂吸附的选择性。结果表明，UV/H₂O₂氧化技术的改性通过向AC表面引入更多活性位点/官能团来提高CO₂吸附性能。优化参数为H₂O₂改性浓度3%和操作温度25°C。在较高CO₂浓度下，AC的吸附容量显著增强。热力学计算表明，ACUV3的CO₂吸附过程中同时存在化学吸附和物理吸附，其中物理吸附起主要作用。DFT计算和XPS/FTIR分析显示，增加ACUV3表面的各种活性位点可以增强CO₂的物理化学吸附，且C-O和N-6在CO₂吸附过程中明显被消耗，这可能在ACUV3对CO₂的化学吸附中起一定作用。在25°C下，ACUV3的CO₂吸附容量达到3.36 mmol/g（12% CO₂浓度）。经过十次循环后，ACUV3对CO₂的吸附容量仅减少了2.1%，表明其具有良好的再生性能。在25°C下，ACUV3的CO₂/N₂吸附选择性为29。动力学研究结果表明，伪一级吸附模型能够很好地拟合ACUV3的CO₂吸附实验数据。

引言

化石燃料是目前国际能源结构的支柱，在人类社会和经济发展中发挥了重要作用[1,2]。然而，由于化石燃料的广泛燃烧，大量气体污染物（包括重金属、挥发性有机污染物（VOCs）、硫氧化物（SO_x）和氮氧化物（NO_x）以及二氧化碳（CO₂）被释放到大气中[[3], [4], [5], [6], [7]]。这些气体进入大气会对人类健康和环境造成严重危害。其中，CO₂被认为是主要的温室气体，因为其排放量占总温室气体排放量的80%以上[[8], [9], [10]]。过量的CO₂排放导致了许多自然灾害，如海平面上升和频繁的极端天气事件[[11], [12], [13], [14], [15]]。因此，开发有效的CO₂捕获技术具有重要的科学和实际意义。

为了解决过量CO₂排放带来的问题，已经开发了几种CO₂控制技术，包括吸附[[16], [17], [18], [19], [20], [21]]、吸收[22,23]、膜处理[[24], [25], [26]]、低温蒸馏[[27], [28], [29]]、生物固定[30,31]等。其中，胺吸附方法具有吸附速度快、CO₂选择性高和处理能力大的优点[32,33]，已应用于石化工业[34]。但它仍存在许多问题，如吸附剂再生能耗高、腐蚀严重、易降解和具有致癌性，限制了其在电力工业中的应用[[35], [36], [37]]。与液相吸附方法相比，吸附方法由于工艺简单、产生的废液少和再生能耗低等优点，在捕获CO₂方面显示出良好的发展前景[[38], [39], [40]]。在各种吸附剂中，活性炭（AC）是最常用于吸附去除CO₂和其他气体污染物的材料之一。然而，未经改性的AC由于碳表面缺乏活性位点，其CO₂吸附容量较低[41]。因此，研究人员开发了多种改性方法，在AC上生成更多的活性官能团/活性位点以增强其CO₂吸附能力，主要包括酸碱高温活化、元素异质掺杂、氧化剂改性、微波活化以及金属浸渍-煅烧等[[42], [43], [44], [45], [46]]。尽管这些改性方法可以在不同程度上提高AC对CO₂的吸附能力，但大多数现有方法存在二次污染、极端的改性条件或高能耗/试剂消耗和成本问题。因此，开发更清洁、更具成本效益的改性方法具有重要意义。

UV/H₂O₂氧化技术基于H₂O₂在紫外光照射下的分解产生高活性的羟基自由基（•OH）[[47], [48], [49]]。产生的•OH具有很强的氧化性，会与碳表面的有机物质反应，从而在碳表面生成活性位点/官能团。除了具有极强的氧化能力外，UV/H₂O₂氧化技术还具有设备简单、能耗低和工艺清洁的优点，因此在气体和水处理领域得到了广泛的研究和应用。在我们之前的研究[49]中，我们使用UV/H₂O₂氧化技术改性多孔碳以吸附烟气中的Hg⁰，并取得了优异的增强效果。然而，目前尚无相关研究利用UV/H₂O₂氧化技术改性商用活性炭（AC）以提高其CO₂吸附性能。UV/H₂O₂氧化技术的增强机制以及使用改性商用活性炭（AC）的CO₂吸附机制和动力学也尚未进行研究。为了进一步探讨这种UV/H₂O₂氧化技术在商用活性炭（AC）CO₂吸附领域的应用潜力，本文的主要目的是研究UV/H₂O₂氧化技术对商用活性炭（AC）表面活性官能团/活性位点的增强效果及其CO₂吸附性能。采用SEM、FTIR、BET、XPS、DFT等方法对UV/H₂O₂改性的AC的孔结构及化学性质进行了分析。研究了ACUV3的最佳制备/操作参数、增强效果、吸附机制、再生能力以及CO₂吸附的选择性。这一研究结果可以为开发清洁有效的CO₂吸附剂改性方法提供新的思路，并为该技术的后续发展提供关键的理论基础。

章节片段

UV/H₂O₂氧化改性技术及样品表征

本文使用的活性炭粉末购自天津登科化学试剂有限公司（分析纯）。UV/H₂O₂ AOP改性AC装置的示意图如图1所示。将不同质量浓度（1%、3%、7%）的H₂O₂溶液加入25 mL容量瓶中，然后置于45°C的水浴中。将100 mg的AC放入石英改性反应器中，并置于80°C的温度控制装置中。纯N₂（0.25 L/min）通入容量瓶中

BET分析

1展示了原始活性炭和UV/H₂O₂改性活性炭（即ACUV1、ACUV3和ACUV7）的孔结构表征结果（包括总孔体积、BET比表面积和平均孔径）。根据表1，原始活性炭的BET比表面积为344.288 m²/g。UV/H₂O₂ AOP改性的活性炭（即ACUV1、ACUV3和ACUV7）的BET比表面积略有降低。相关研究[37,39]表明，紫外

结论

本文中，活性炭（AC）通过UV/H₂O₂氧化技术进行改性，以增加其表面活性官能团/活性位点和CO₂吸附容量，并研究了若干理论问题。结果表明，UV/H₂O₂氧化技术通过向AC表面引入更多活性位点/官能团来提高CO₂吸附能力。优化参数为H₂O₂改性浓度3%和操作温度25°C

CRediT作者贡献声明

王燕：撰写——初稿、方法论、研究、资金获取。唐向刚：撰写——初稿、软件、研究、正式分析。吴鹏菊：可视化、软件、数据管理。谢文霞：撰写——审稿与编辑、资金获取。刘阳贤：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了江苏省自然科学基金青年项目（编号：BK20250868）、江苏省优秀青年基金（编号：BK20240044）、江苏省优秀博士后人才资助计划（编号：2024ZB112）、中国陕西省咸阳市重点研发项目（编号：L2024-ZDYF-ZDYF-SF-0026）以及陕西省能源研究院重点自然科学研究项目（博士专项基金）（编号：23BSZRZ06）的资助。