通过低腐蚀性活化方法从废弃竹笋壳制备出可持续的氮掺杂超微孔碳，用于高效捕获二氧化碳

《Biomass and Bioenergy》：Sustainable N-doped ultramicroporous carbon derived from waste bamboo shoot shells via low-corrosivity activation for high-efficiency CO2 capture

　　

廖全飞|聂登盼|赵天翔|张宇|王红

贵州民族大学化学工程学院，中国贵州省贵阳市，550025

摘要

本文提出了一种可持续且低腐蚀性的活化策略，利用草酸钾（K₂C₂O₄）将废弃竹笋壳转化为氮掺杂的超微孔碳，用于高效捕获CO₂。尿素作为氮源，通过系统优化活化剂用量和活化温度，协同调节材料的微孔结构和氮吸附性能。最优制备的样品NAC-700-2具有1394 m² g^?1的比表面积，在273.15 K和1 bar压力下可实现6.32 mmol g^?1的CO₂吸附量，超越了迄今为止报道的大多数生物质基碳吸附剂。值得注意的是，NAC-700-2表现出优异的CO₂/N₂选择性、快速的吸附动力学以及连续六次吸附-解吸循环后的优异循环稳定性。热力学分析表明，该吸附过程是自发的、放热的，并遵循Freundlich等温线模型，说明吸附主要通过物理吸附机制实现。本研究证明了低腐蚀性的可持续活化方法可以将农业废弃物转化为高性能的CO₂吸附剂，为碳捕获应用提供了一条可扩展且环境友好的途径。

引言

随着大气中CO₂浓度的不断上升，对高效和可持续碳捕获技术的需求日益迫切[1]。生物质基多孔碳因其可再生性、低成本和结构稳定性而成为有前景的吸附材料[[2], [3], [4]]。然而，其在实际CO₂捕获应用中面临三个关键障碍：(i) 需要使用高腐蚀性的活化剂（如KOH），这会导致设备严重腐蚀、产生碱性废水并阻碍规模化生产[5,6]；(ii) 快速碱性活化导致的碳产率较低，影响经济性；(iii) 同时实现超微孔（<0.7 nm）物理限域和氮功能化（增强CO₂吸附能力）存在困难[[7], [8], [9]]。

这些问题的主要原因在于传统活化剂（如KOH和ZnCl₂）在高温下会强烈侵蚀碳骨架[[10], [11], [12]]。虽然已有研究探索使用替代的钾盐（如K₂CO₃、柠檬酸钾）作为温和的活化剂，但孔结构发展与杂原子保留之间的权衡尚未解决。特别是对于木质纤维素生物质（如核桃壳[13]、丝瓜络[14]、稻壳[15]和壳聚糖[16]），由于本身缺乏氮元素，因此需要外部掺氮[17]。尽管复合策略（如MgO/生物炭复合材料）和温和活化剂（如K₂CO₃）已将CO₂吸附量提高至6.65 mmol g^?1 [18]，但尚未找到一种既能形成超微孔又能同时引入氮原子的绿色一步法工艺。

章节片段

材料

氮掺杂多孔碳由废弃竹笋壳（来源于中国贵州省的一家竹笋加工厂）通过两步碳化与活化工艺制备而成。所有化学品（包括NaOH（>98%）、尿素（>90%）、草酸钾（K₂C₂O₄，>99%）和盐酸（35-37%）均购自上海亚阿达试剂有限公司。氮气（N₂，99.999%）和二氧化碳（CO₂，99.99%）由贵阳三和气体有限公司提供。

多孔碳材料的制备

制备过程的示意图见...

结构表征

如多孔碳的SEM图像（图2a–c）所示，活化温度显著影响其表面形态。在固定活化剂用量的情况下，温度的升高会导致形成不同大小的不规则孔洞。然而，过高的温度会导致结构崩塌：部分孔洞被破坏，介孔通道被杂质堵塞，影响孔隙完整性。特别是在700 °C下活化的样品（图2b）...

结论

总的来说，我们通过草酸钾活化作用，成功优化了竹笋壳基多孔炭的微孔结构和氮功能，从而提升了CO₂吸附性能。最优样品NAC-700-2的比表面积为1394 m² g^{?1?1的CO₂吸附量，超越了大多数生物质基吸附剂。这种高性能得益于多种机制的协同作用：发达的微孔结构促进了CO₂}

廖全飞：数据整理、实验研究、初稿撰写。聂登盼：概念设计、资金争取。赵天翔：方法研究、审稿与编辑。张宇：资金争取、项目监督。王红：资源支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（项目编号：22366009）、贵州省重大专项（项目编号：2024001）、贵州省重点计划（项目编号：2025003）、中央指导地方科技发展基金（项目编号：2025007）以及贵州省科技支持计划（项目编号：025075）的支持。