综述：用于二氧化碳捕集的生物质衍生气凝胶：分级结构设计、制备策略及吸附性能

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Biomass-Derived Aerogels for CO 2 Capture: Hierarchical Structure Design, Fabrication Strategies, and Adsorption Performance

　　

摘要

由于可再生来源、丰富的表面功能、低密度以及可调控的层次化孔结构，源自生物质的气凝胶作为可持续的多孔吸附剂用于二氧化碳捕获而越来越受到关注。本综述系统探讨了用于二氧化碳吸附的层次化多孔生物质气凝胶在设计与制备方面的最新进展，重点分析了前驱体化学、网络形成、孔结构与吸附性能之间的关系。文中还分析了多尺度孔隙结构、孔径分布、孔隙连通性以及表面官能团对二氧化碳扩散、可及性及吸附能力的影响。特别强调了分子间相互作用、物理化学交联以及干燥引起的结构变化，这些因素共同决定了气凝胶网络的机械完整性与稳定性。文中比较了包括无模板组装、模板辅助构建、干燥控制以及后期处理改性在内的多种制备策略在调控层次结构与功能界面方面的效果。此外，从吸附机制、传质行为、选择性、再生能力以及结构-性能关系等方面进一步评估了二氧化碳吸附领域的最新进展。同时指出了当前仍存在的挑战，如精确调控孔结构、长期结构稳定性、耐湿性、吸附选择性以及大规模生产等问题。本综述全面阐述了如何通过合理的结构设计及功能调控，提升源自生物质的气凝胶在高效可持续二氧化碳捕获中的应用性能。

引言

随着大气中二氧化碳浓度的不断上升，人们对高效、可再生且环境友好的碳捕获技术的需求日益增加[1]。在各种捕获策略中，基于吸附的分离方法因其操作灵活性高、能耗相对较低以及适合模块化工艺设计而备受关注[2]。其性能在很大程度上取决于固体吸附剂的开发，这类吸附剂需具备较高的二氧化碳亲和力、快速的传质速度、良好的选择性以及稳定的再生性能。传统的多孔吸附剂，如活性炭、沸石、金属有机框架和共价有机框架，虽展现出巨大潜力，但仍存在粉末处理困难、压降较大、易受湿度影响、成型困难或合成复杂等问题[3]。这些局限性促使人们开始关注具有集成结构与功能优势的整体式多孔吸附剂。

气凝胶是一种高孔隙率材料，具有低密度、较大的比表面积以及相互连接的三维网络结构。与粉末状吸附剂相比，气凝胶整体结构在形状控制、孔隙连通性以及宏观架构方面具有更大灵活性，这有利于气体的传输与连续流操作。尤其是源自生物质的气凝胶，因其前驱体可再生、资源丰富、成本低廉且富含官能团，为构建多孔吸附剂提供了可持续的载体[4]。纤维素、壳聚糖、木质素、海藻酸盐以及生物质残渣中含有羟基、氨基、羧基或酚基等官能团，这些官能团可参与凝胶化、交联、表面修饰以及二氧化碳吸附过程。它们天然的纤维状或聚合物结构也为构建多尺度孔隙网络提供了基础，使得生物质气凝胶成为可持续二氧化碳捕获的理想候选材料[5]。

层次化孔隙结构是源自生物质的气凝胶区别于许多单尺度多孔吸附剂的关键结构特征。微米级、介观级和宏观级孔隙的协同存在能够平衡吸附容量、扩散可及性以及气体传输效率，而整体式结构则有助于保持结构的完整性，减少与粉末相关的处理难题[6]。然而，层次化生物质气凝胶的性能会受到前驱体化学性质、分子间相互作用、凝胶化行为、干燥方式以及后期处理策略的显著影响[7]。不恰当的加工处理可能导致孔隙坍塌、活性位点可及性降低、机械强度下降或再生稳定性减弱[8]。因此，了解各种制备策略如何调控孔隙层次结构与表面功能，对于开发高性能的生物质气凝胶吸附剂至关重要。

尽管相关研究进展迅速，但仍有诸多问题制约着这类材料的实际应用。许多研究侧重于BET比表面积和平衡状态下二氧化碳的吸附量，而关于吸附选择性、动力学行为、工作容量、再生稳定性、耐湿性以及机械耐用性的研究则相对较少[9]、[10]。此外，生物质前驱体的可再生性并不能自动保证整个制备过程的可持续性，尤其是在涉及高能耗的干燥、高温碳化、化学活化或不可回收模板等工艺时[10]。因此，有必要通过系统性综述，将层次化结构设计、可持续制备方法与吸附性能纳入统一的分析框架之中。

与以往主要聚焦于用于二氧化碳捕获的源自生物质的多孔碳材料、碳气凝胶或一般生物质吸附剂的综述不同，本综述着重探讨作为整体式多孔吸附剂的层次化生物质气凝胶。尤其强调了生物质前驱体化学性质、分子网络形成、层次化孔结构、制备策略、表面功能以及与实际吸附过程相关的性能之间的关联。本文总结了近年来在层次化生物质气凝胶用于二氧化碳捕获方面的研究成果，重点分析了结构设计、制备策略以及吸附性能。首先阐述了层次化孔隙结构对吸附容量、传质效率以及机械稳定性的影响机制，随后从生物质结构特征、分子间相互作用以及工艺诱导的孔结构调控等方面分析了层次化结构的形成原理。接着进一步介绍了包括无模板组装、模板辅助构建、干燥方法以及后期处理在内的主要制备策略，并重点分析了这些策略在保持孔结构、提升表面功能以及实现环境友好型大规模生产方面的优势。最后，从吸附机制、模型分析、选择性、再生行为以及结构-性能关系等方面评估了典型样品的二氧化碳吸附性能，同时指出了当前面临的挑战及未来研究方向，以期为开发高性能、可规模化且可持续的生物质气凝胶吸附剂提供指导。

章节节选

生物质气凝胶的层次化结构设计

层次化碳气凝胶属于一类独特的层次化碳材料，因为其吸附行为不仅受多尺度孔隙结构与表面化学性质的影响，还受连续的凝胶衍生骨架以及宏观整体结构的影响。虽然层次化碳材料与层次化碳气凝胶都包含多尺度孔隙结构，但二者不应被视为相同的材料类别。层次化碳材料通常指的是碳

层次化生物质气凝胶的合成策略

评估源自生物质的气凝胶的制备策略时，不仅要考虑其生成多孔结构的能力，还需考量其对环境二氧化碳捕获性能的贡献。理想的合成路线应既能保留层次化孔隙结构，又能暴露出对二氧化碳有亲和力的官能团，在循环吸附-解吸过程中保持结构完整性，同时尽量减少溶剂、能源及化学试剂的使用。因此，层次化生物质的合成设计需

层次化生物质气凝胶在二氧化碳捕获中的应用

层次化生物质气凝胶凭借其整体式加工特性、多尺度孔隙结构以及可调控的表面化学性质，为二氧化碳捕获提供了极具前景的解决方案。其相互连接的微米级、介观级和宏观级孔隙网络能够将吸附活性位点与气体扩散通道相结合，从而提升二氧化碳的可及性、传质效率，进而提高其用于连续流操作的潜力[5]、[101]、[102]、[103]、[104]。不过，过高的平衡吸附量或较大的BET

结论与展望

得益于可再生来源、低密度、可调控的多尺度孔隙结构以及可调节的表面化学性质，层次化生物质气凝胶已成为一种极具潜力的可持续多孔材料，可用于二氧化碳捕获。本综述总结了近年来在层次化生物质气凝胶的结构设计、制备策略以及吸附性能方面的研究进展，重点分析了孔结构、分子间相互作用、干燥方式以及后期处理策略对二氧化碳吸附性能的影响

CRediT作者贡献说明

姚波：综述与编辑写作、研究指导、资金获取、概念构思。杨飞：可视化处理、数据整理。孙光宇：结果验证、正式分析。孙永祥：综述与编辑写作。曾洪波：综述与编辑写作、资源协调。甘怀义：初稿撰写、实验研究、数据整理。

利益冲突声明

作者声明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。

姚波|甘怀义|杨飞|孙光宇|孙永祥|曾洪波

中国石油大学（华东）山东省油气与新能源储运安全重点实验室，中国山东省青岛市266580