通过山竹果皮提取物浸渍增强氧化石墨烯上的CO2吸附：合成温度变化的影响

《Case Studies in Chemical and Environmental Engineering》：Enhanced CO 2 Adsorption on Graphene Oxide via Mangosteen Peel Extract Impregnation: Effect of Synthesis Temperature Variation

　　

摘要
通过改变制备温度（60、80和100°C），本研究探讨了将山竹果皮提取物（MP）浸渍到氧化石墨烯（GO）上，以增强GO表面官能团的质量和CO₂吸附。吸附剂采用改性Hummer's方法制备，随后对其表面和化学特性进行了表征。氮气吸附-脱附分析表明，GO 60 + MP表现出具有H2滞后环的IV型等温线，表明以介孔特性为主，而GO 80 + MP和GO 100 + MP则表现出III型等温线，吸附-脱附相互作用较弱。GO 60的BET比表面积在山竹果皮浸渍后从52.64 m²/g增加到71.27 m²/g。浸渍后，GO 60的CO₂吸附容量从0.51 mmol/g增加到1.86 mmol/g。此外，表面改性后能隙从3.29 eV降低到3.04 eV。该吸附剂还展示了初步的再生能力，在固定床条件下研究的吸附-脱附循环中具有相对稳定的吸附性能。此外，吸附动力学分析表明，Avrami分数阶模型更好地描述了原始GO，表明相对异质的吸附行为，而浸渍后的样品在表面改性后与伪一级和伪二级模型表现出更一致的拟合。

论文解读文章

**研究背景与意义**

随着工业化和化石燃料消耗的持续增长，大气中二氧化碳（CO₂）浓度迅速上升，已成为全球最严峻的环境挑战之一，显著加剧了气候变化、全球变暖和生态系统退化。因此，开发高效、可持续且经济可行的碳捕获技术受到广泛关注。在众多方法中，基于吸附的CO₂捕获因其低能耗、操作简便、可回收性和大规模应用潜力而被视为极具前景的技术。碳基纳米材料，特别是氧化石墨烯（graphene oxide, GO），因其可调的表面化学性质而成为CO₂吸附的理想候选材料。然而，传统Hummer's法制备的GO存在结构缺陷、电子稳定性差等问题，且纯GO缺乏本征带隙，导致吸附能力受限。天然生物活性化合物富含酚类和抗氧化基团，可提供保护性改性策略。山竹果皮提取物（mangosteen peel extract, MP）含有蒽醌、黄酮等抗氧化物质，具有修复和增强GO表面功能的潜力。然而，合成温度与表面改性对GO物理化学性质和吸附行为的协同影响尚未充分阐明。为此，本研究旨在通过合成温度变化（60、80和100°C）制备GO并浸渍MP，系统评估其对CO₂吸附性能的影响。该工作发表在《Case Studies in Chemical and Environmental Engineering》上，为绿色、可持续的GO改性开发提供了新见解。

**研究内容与结论**

研究人员采用改性Hummer's法合成GO，并在不同温度（60、80、100°C）下进行剥离，随后将山竹果皮提取物通过浸渍方法负载到GO上，制备出GO 60+MP、GO 80+MP和GO 100+MP系列样品。通过系统的表征和吸附测试，得出以下结论：GO 60+MP具有最高的CO₂吸附容量（1.86 mmol/g），较原始GO 60（0.51 mmol/g）显著提升；BET比表面积从52.64 m²/g增至71.27 m²/g；能带隙从3.29 eV降至3.04 eV。该吸附剂在固定床条件下表现出良好的再生能力和循环稳定性。该研究揭示了合成温度对GO结构缺陷、表面官能团和孔结构的影响，以及MP浸渍对吸附性能的增强机制，为生物质辅助改性氧化石墨烯基吸附剂的设计提供了理论依据和实践指导。

**关键技术方法**

本研究主要采用以下关键技术方法：通过改性Hummer's法制备氧化石墨烯（GO），使用乙醇浸提法制备山竹果皮提取物（MP）并由Brawijaya大学实验室提供；采用浸渍法将MP负载到GO上。表征手段包括：傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表面官能团；紫外-可见光谱（UV-Vis）结合Tauc法计算能带隙；X射线衍射（XRD）分析晶体结构和层间距；拉曼光谱（Raman）评估缺陷程度；场发射扫描电子显微镜（FESEM）和能量色散X射线光谱（EDS）观察形貌和元素组成；Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积和孔径分析；固定床吸附实验测试CO₂吸附容量和动力学，并开展多循环再生实验。

**研究结果**

**3.1 化学表征**
通过UV-Vis Tauc plot计算能带隙，GO 60、GO 80和GO 100的能带隙分别为3.29、4.27和4.30 eV，浸渍MP后分别降至3.04、3.15和3.28 eV，表明MP中的芳香性化合物降低了能隙。FTIR光谱显示GO表面存在羟基、羰基、环氧基和羧基等含氧官能团，浸渍MP后羟基信号增强。Raman光谱显示，随着制备温度升高，D/G强度比（I_D/I_G）从1.45增至1.55，浸渍后进一步增至1.75-1.86，表明缺陷增加。

**3.2 形貌与结构表征**
FESEM图像显示GO呈六方蜂窝状结构，浸渍MP后表面出现更多褶皱和折叠，形成更多孔隙。EDS分析表明，随着温度升高，GO中氧原子含量从31.77%降至14.03%，浸渍后GO 60+MP的氧含量为20.62%。XRD显示GO的（002）峰随温度升高向高角度移动，层间距减小（0.53 nm至0.52 nm），浸渍后GO 60+MP的2θ角为13.63°，层间距0.65 nm，表明MP插入。BET分析显示，GO 60的比表面积为52.64 m²/g，浸渍后增至71.27 m²/g；GO 60+MP呈现IV型等温线和H2滞后环，表明介孔结构主导，而GO 80+MP和GO 100+MP为III型等温线，吸附-脱附相互作用弱。

**3.3 MP在GO表面的性能**
FESEM分析表明MP分子附着在GO表面，形成π-π堆积相互作用，影响电子特性。UV-Vis和XRD结果证实MP的芳香性导致能带隙降低，并改变GO的电子结构，促进电子转移和表面反应。

**3.4 温度对CO₂吸附容量的影响**
固定床突破实验显示，GO 60+MP的突破时间最长（30分钟），CO₂吸附容量最高（1.86 mmol/g），较原始GO 60（0.51 mmol/g）显著提升。GO 100的吸附容量最低，归因于其较高的羧酸基团含量和较差的表面形貌。

**3.5 多循环吸附-脱附**
三次循环实验中，GO+MP吸附剂在固定床条件下表现出稳定的再生性能，CO₂吸附容量在循环中保持一致，表明其具有良好的可重复使用性。

**3.6 吸附动力学分析**
原始GO样品的吸附数据更符合Avrami分数阶模型（R² 0.97-0.99），Avrami指数n>1，表明异质吸附行为。浸渍MP后，样品更符合伪一级和伪二级模型（R² 0.99），表明表面改性后吸附动力学趋于均一化，物理与化学吸附机制共存。

**3.7 CO₂吸附机理**
GO+MP的CO₂吸附机制包括：氢键相互作用（CO₂氧原子与羟基）、偶极-四极相互作用（含氧官能团与CO₂四极矩）、π-四极相互作用（芳香环与CO₂），以及介孔结构促进的快速扩散。GO 60+MP的介孔丰度和表面极性增强共同优化了吸附性能。

**总结与结论**

讨论部分指出，MP浸渍通过增加含氧官能团、降低能带隙、引入π-芳香域和改善介孔结构，协同增强了GO的CO₂吸附能力。合成温度对GO的结构缺陷和表面化学有显著影响，60°C为最佳制备温度。研究结论翻译如下：使用改性Hummer's法合成的氧化石墨烯（GO）经山竹果皮提取物浸渍后，CO₂吸附性能增强。FESEM和BET分析表明浸渍后孔径结构变化，BET比表面积从52.64 m²/g增加到71.27 m²/g。最大CO₂吸附容量从0.51 mmol/g增加到1.86 mmol/g，能带隙从3.29 eV降低到3.04 eV。FTIR和EDS分析表明浸渍后表面官能团和元素组成变化。吸附动力学分析显示原始GO更符合Avrami分数阶模型，浸渍后样品与伪一级和伪二级模型拟合更好，表明表面处理后吸附相互作用特征改变。多循环吸附-脱附实验在固定床条件下表现出相对稳定的吸附性能。本研究为合成温度和生物质辅助表面改性对氧化石墨烯基吸附剂的物理化学性质和CO₂吸附行为的影响提供了额外见解。