将捕获二氧化碳的多孔碳升级为柔性相变薄膜，以实现高效的光热能量转换

《Solar Energy Materials and Solar Cells》：Upgrading CO 2-captured porous carbon into flexible phase change films for efficient photohermal energy conversion

　　

摘要

将碳捕获与太阳能储能相结合为实现碳中和提供了一条有前景的途径，然而从捕获过程中利用含碳材料所带来的协同效应尚未得到充分探索。在这里，我们利用竹子生物炭和石灰石的互碳-碳酸盐共煅烧（RCCC）产生的多孔碳制备了一种柔性相变薄膜（PCF）。在RCCC过程中，从石灰石中释放的93.2%的CO₂被转化为CO。这种由竹子生物炭（BC）、热塑性聚氨酯和微封装二十烷构成的优化PCF具有123.87?J?g^?1的相变焓，具有优异的防泄漏性能和机械稳定性。其光热转换效率可达到85.5%。这项工作首次实现了基于RCCC的碳捕获与柔性光热储能的集成，为将捕获的碳转化为功能性太阳能热材料提供了一条可行的途径。

引言

碳捕获、利用和储存（CCUS）是工业脱碳的基石，但其实际应用受到CO₂捕获、净化、压缩和运输的累积成本和能源需求的限制[1,2]。集成碳捕获与利用（ICCU）通过在单一双功能材料（DFM）中结合吸附剂和催化剂的功能来克服这一限制。CO₂在一个热循环中被捕获并转化，消除了影响CCUS经济效益的中间处理步骤[3,4]。尽管基于DFM的ICCU技术具有避免多个能耗步骤的潜力，但要真正实现这一技术，仍需要高浓度、低杂质的CO₂来源以及与之兼容的原位转化反应[5,6]。水泥行业为此提供了几乎直接的切入点。石灰石的煅烧是水泥生产不可避免的第一步，由于其化学计量比，它会释放出高纯度的CO₂[7,8]。我们提出了一种互碳-碳酸盐共煅烧（RCCC）工艺，在该工艺中，石灰石和废弃物生物质衍生的生物炭在单一热区内共同热解。在共煅烧过程中，从碳酸盐分解中释放的CO₂立即被碳基质通过Boudouard反应（CO₂+C→2CO）捕获并转化为CO，从而实现了CO₂到CO的原位转化，同时将生物炭在纳米尺度上蚀刻成高级活性炭[9,10]。然而，如何进一步利用所得的多孔碳仍是一个亟待解决的问题。

作为典型的清洁能源代表，太阳能的转换和利用一直是能源领域的热点话题[[11], [12], [13]]。在各种太阳能转换系统中，使用相变材料（PCM）的光热转换被认为是一种有效的方法来实现太阳能的高效利用。得益于其优异的恒温热存储能力，光热PCM的研究受到了广泛关注[[14], [15], [16], [17]]。然而，传统的PCM通常存在固液泄漏问题，并且天生具有较差的光吸收能力，这严重限制了它们的太阳能热转换性能[[18], [19], [20], [21]]。为了解决这些问题，人们进行了大量研究，通过加入对光敏感的功能填料（主要是碳材料，如石墨烯、碳纳米管、炭黑、石墨等）来制备复合PCM[[22], [23], [24], [25], [26], [27]]。这些复合材料在相变过程中能够保持结构完整性和形状稳定性，并表现出显著增强的光吸收能力，为RCCC过程中产生的多孔碳的进一步增值提供了前景。值得注意的是，直接引入碳材料不可避免地会增加机械刚性，这阻碍了更复杂界面的集成，从而限制了其在某些应用中的适应性。

在这项工作中，我们通过制备一种柔性相变薄膜（PCF）提出了一种新的碳捕获-光热协同策略。废弃的竹粉被选为碳前驱体，通过RCCC工艺制备出基于生物炭的多孔碳（BC）。将BC与热塑性聚氨酯（PU）作为支撑骨架，以及相变微胶囊（二十烷，M20）作为PCM结合，最终得到了这种柔性PCF。该系统首次实现了通过RCCC过程的碳捕获。同时，制备的PCF表现出优异的热能储存能力（超过120?J?g^?1）和光热转换性能（转换效率超过85%）。此外，其增强的机械柔韧性进一步拓宽了其在复杂界面应用中的集成可能性。这项工作完全整合了碳捕获和储存技术，为清洁能源技术的协同发展提供了一个设计理念。

章节片段

化学材料

PU来自Wespin技术公司。M20由Hermalcare技术公司提供。废弃的竹粉（中国浙江省遂昌市）被用作生物质碳前驱体。N, N-二甲基甲酰胺（DMF）从Aladdin工业公司购买。所有上述试剂均未经任何处理直接使用。

为了确保形成具有高比表面积的碳框架，同时保持适当的结构缺陷和活性...

**CO₂捕获性能

图2a显示了在800°C下与石灰石共加热的碳催化剂的气体释放曲线。随着反应温度升至800°C，CO₂和CO的生成速率迅速增加，随后迅速下降。CO₂达到8.73?mL?min^?1的峰值，然后迅速降至零。而CO的释放速率首先升至60.26?mL?min^?1的峰值，然后迅速降至4.26?mL?min^?1，最终在167分钟时降至零。图2a中观察到的CO释放持续时间较长...

结论

在这项工作中，通过相变过程成功构建了一种柔性PCF，整合了CO₂衍生的BC、PU和M20。BC是通过竹子生物炭和石灰石的RCCC获得的，在此过程中93.2%的石灰石衍生的CO₂被转化为CO。该PCF的熔化焓为123.87?J?g^?1，结晶焓为121.9?J?g^?1，且没有检测到泄漏。从机械性能来看，该薄膜的抗拉强度为0.7?MPa，断裂伸长率为70%

CRediT作者贡献声明

吕宗泽： 数据整理与研究。田Lean： 数据整理。孟凡木： 数据整理。杨金琦： 数据整理。黄翔： 数据整理。孙键安： 架思、写作 - 审稿和编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

中国国家自然科学基金（编号：江苏省自然科学基金（编号：中央高校基本科研业务费（编号：2025QN1125）。

Zongze Lv|Lean Xian|Fanmu Meng|Jinqi Yang|Xiang Huang|Keyan Sun

中国矿业技术学院低碳能源与电力工程学院，中国徐州，221116