《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Humidity?Aware Agro?Waste Biochar–MOF Adsorbents for Solar?Regenerated CO? Capture: A Mechanistic Circular?Economy Design Framework
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摘要固体吸附剂用于二氧化碳捕获时，会因湿度导致吸附能力下降以及吸附剂再生所需能量较高而受到限制，这影响了其在分散式系统中的应用。本研究提出了一种考虑湿度的设计框架，用于开发可通过太阳能再生的复合材料，这类材料以农业废弃物制成的生物炭作为支撑体，并在其中嵌入原位生长的金属-有机框架
摘要
固体吸附剂用于二氧化碳捕获时，会因湿度导致吸附能力下降以及吸附剂再生所需能量较高而受到限制，这影响了其在分散式系统中的应用。本研究提出了一种考虑湿度的设计框架，用于开发可通过太阳能再生的复合材料，这类材料以农业废弃物制成的生物炭作为支撑体，并在其中嵌入原位生长的金属-有机框架纳米结构。选择UiO-66-NH?作为耐湿性较好的材料，而ZIF-8和HKUST-1则分别作为具有疏水性和高吸附能力的对比材料。该框架基于文献中的数据，整合了等温吸附热力学模型、简化的光热再生能量平衡模型、定量定义的循环性评分标准，以及适用于人工智能的多目标筛选公式。该方法旨在综合考虑潮湿环境下的吸附能力、二氧化碳与氮气的选择性、再生能耗、循环稳定性以及材料的可循环性，而非仅仅追求干燥状态下的最大吸附量。根据文献研究，理想的材料应具备800–1800 m2/g的BET表面积、超过0.25 cm3/g的超微孔体积、20–35%的MOF负载量、25–50℃的太阳能诱导温度升幅、在60–70%相对湿度下仍保持70%以上的吸附能力，以及经过50次循环后吸附能力下降幅度低于10%。太阳能主要用于吸附剂的再生过程；在夜间或阴天，可通过交替使用吸附床、延迟再生、利用储存的太阳能热量或辅助废热来继续进行吸附过程。该框架为后续的复合材料合成、潮湿环境下的性能测试以及基于数据的循环型生物炭-MOF吸附剂验证提供了清晰的指导。
引言
二氧化碳捕获是实现低碳能源、农业及工业生产转型的重要手段。传统的溶剂基捕获技术虽已相当成熟，但其实际应用却受到腐蚀问题、溶剂降解、再生能耗以及工艺集成难题的限制[1]、[2]。固体吸附剂则为二氧化碳捕获提供了另一种途径，因为其孔结构、表面化学性质以及再生条件可以根据不同的气体类型进行调控[3]、[4]。然而，仍有三大障碍制约着许多实验室研制的吸附剂在规模化捕获系统中的应用：在潮湿环境下的吸附能力下降、吸附/解吸动力学速度缓慢，以及再生过程能耗过高[5]、[6]。
生物炭作为一种可持续的吸附材料，因其可由农业残余物、食物垃圾、林业废弃物以及其他生物质材料制成而备受关注。它的优势在于原料成本较低、富含碳元素、孔隙度可调节，且与循环经济理念相契合[7]、[8]。通过控制热解、活化、杂原子掺杂或矿物改性等方法制备的工程化生物炭，若能拥有较多的窄微孔和碱性表面位点，就能表现出较高的二氧化碳吸附能力[9]、[10]、[11]。不过，天然生物炭往往存在原料质量不稳定、表面化学性质不均匀，以及在潮湿烟气或环境空气中的选择性较差等问题。
金属-有机框架则提供了一种互补的材料平台。它们具有结晶态的孔结构、可调控的孔径，以及可通过化学方法修饰的连接键，这使得人们能够精确控制气体吸附的位置[12]、[13]。但许多金属-有机框架材料价格昂贵、呈粉末状、机械强度低，或者对湿度敏感，难以直接用于实际捕获应用。因此，金属-有机框架与生物炭的复合材料提供了一种有效的界面设计方案：生物炭可作为低成本、具备光热功能且机械强度高的支撑体，而金属-有机框架纳米结构则能提供选择性吸附位点以及有序的扩散路径[14]、[15]、[16]。真正的科学挑战并非简单地将碳材料与金属-有机框架混合在一起，而是要设计出合适的碳-金属-有机框架-水-二氧化碳界面，确保湿度不会降低材料的吸附能力，同时能让太阳能有效促进材料的再生。
近年来，基于太阳能再生的吸附/解吸系统引起了人们的兴趣，因为温度摆动吸附法中最大的能耗问题出现在吸附剂的再生阶段[17]、[18]。在这种背景下，富含生物炭的复合材料尤为值得关注，因为其中的碳质结构能够吸收光线并将其转化为局部热量。如果这种材料能够在常温或略低温度下吸附二氧化碳，而在太阳光照射下将其释放出来，那么它不仅能够减少额外的加热需求，还能助力在农业、食品加工或废物处理领域实现分散式的二氧化碳捕获[19]、[20]。
目前，人工智能和主动学习技术正被用于加速吸附剂的研发进程，包括对工程化生物炭和金属-有机框架材料的筛选工作[21]、[22]。不过，大多数优化研究仍然只关注干燥状态下的二氧化碳吸附量、表面积或单一点的吸附容量。要想实现实际应用，优化目标还必须包括潮湿环境下的吸附能力、水分子对吸附的竞争作用、再生能耗、材料稳定性、原料的循环利用程度以及材料成本等因素[23]、[24]。因此，本文提出了一种全新的、考虑湿度因素且可通过太阳能再生的设计框架，用于开发基于农业废弃物生物炭与金属-有机框架的胶体复合材料。这一框架的意义体现在三个方面：首先，它建立了一个将超微孔结构、极性表面位点、金属-有机框架的覆盖程度以及水活度相互关联的界面模型；其次，它构建了一种多目标的人工智能工作流程，可用于筛选生物炭与金属-有机框架的组合，而不仅仅局限于常规的等温线拟合；最后，它将这类材料纳入到农业循环经济体系中，使农业废弃物能够转化为具有功能的二氧化碳捕获材料，如图1所示。
内容节选
研究设计
本研究是基于现有文献数据开展的一项关于计算模型与概念性材料的分析研究。文中并未引用任何尚未发表的实验室实验数据，而是采用了现有研究中关于生物质衍生多孔碳材料、工程化生物炭、金属-有机框架、金属-有机框架-生物炭复合材料以及太阳能再生吸附系统的性能数据，以此构建出一个适合后续实验验证的设计框架。这种方法有助于在开始材料合成之前就确定可行的研究假设。
界面设计的创新之处
所提出的材料在设计思路上与传统吸附剂有所不同，它将生物炭与金属-有机框架之间的界面视为关键的吸附区域。在传统的活性炭中，二氧化碳的吸附主要依赖于微孔的填充作用；而在金属-有机框架中，吸附过程则受孔径大小、金属节点分布、连接键的化学性质以及整个框架的极性等因素影响。在生物炭与金属-有机框架的复合材料中，则出现了第三种区域，即无序的碳结构与结晶态的金属-有机框架结构之间的过渡界面。这一区域可以汇聚局部电场、缺陷位点以及极性物质等效应，从而提升材料的吸附性能。
结论
本文提出了一种全新的界面设计框架，用于开发适用于在潮湿环境下通过太阳能再生的、基于人工智能技术的农业废弃物生物炭-金属-有机框架胶体复合材料。其主要观点是，未来的吸附剂研发应当超越传统的干燥状态等温线拟合方法，而应着重优化潮湿环境下的吸附能力、水分子对吸附的干扰效应、太阳能驱动下的解吸效率、材料的循环稳定性以及整体的可循环性。所提出的复合材料结合了农业废弃物生物炭的低成本特性、光热转换功能以及层次分明的孔结构，同时还具备了金属-有机框架的优势。
作者贡献说明
Esther O. Oluwabiyi：研究指导、软件应用、项目管理、方法设计、资金筹集、数据分析、数据整理。Oluwafemi B. Olasilola：结果可视化、性能验证、软件应用、资源协调、项目管理、资金筹集、数据分析、数据整理。Francis T Omigbodun：初稿撰写、结果可视化、性能验证、研究指导、项目管理、方法设计、资金筹集、概念构思。Daniel O. Olokpo：初稿撰写。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
Stephanie O. Akaelu|Elizabeth I. Igbodor|Francis T Omigbodun|Daniel O. Olokpo|Esther O. Oluwabiyi|Oluwafemi B. Olasilola
英国泰恩河畔纽卡斯尔市纽卡斯尔大学国际商务管理系，邮编NE1 8ST
