滑鐵盧大學陳忠偉團隊J MATER CHEM A綜述：多孔碳基材料設計及其CO2捕集應用

1、背景介紹

近年來，由于人類能耗需求的增長和大量化石燃料的使用，溫室氣體的排放量以驚人的速度增長。隨之而來的全球氣候變暖、海平面上升等生態問題日益顯現，溫室效應帶來的一系列環境問題已嚴峻威脅人類社會存在和發展。溫室氣體主要包括二氧化碳（CO₂）、甲烷、氮氧化物、氟氯烴等，其中二氧化碳在大氣中的含量最高，是造成溫室效應的主要因素。據Global Carbon Budget 2018最新報道，全球CO₂排放量正以每年2.7%的驚人速度增長，截止2018年已達到371億公噸。因此，發展高效的CO₂捕集（CO₂?capture）技術至關重要且緊急。

目前，常見的CO₂捕集技術主要包括吸收法、膜分離法和吸附法。前兩者通常面對較大的技術問題，比如胺基吸收劑毒性強、對設備造成腐蝕、再生能耗高，以及需要高壓實現膜分離從而導致能耗增大，分離效率和產品純度低。而使用多孔材料通過吸附的方法被認為是最具潛力的技術，可以廣泛應用于不同操作環境。其中，多孔碳材料一直以來是材料領域和氣體吸附領域的研究熱點，其具有發達且易調控的孔隙結構、巨大的比表面積，以及較強的化學和熱穩定性，同時對CO₂的吸附容量大，原料來源廣泛，成本相對低廉，尤其是在有水蒸汽的情況下使用多孔碳材料不但可以節省能耗，而且可以提升回收的CO₂純度。然而，發展合理有效的多孔碳設計策略是實現高效率CO₂捕集的關鍵。隨著近幾年碳材料的迅速發展，基于CO₂捕集技術對其進行系統性總結和展望是非常有必要的。

2、成果簡介

近日，加拿大滑鐵盧大學的陳忠偉教授（通訊作者）團隊系統總結了近年來多孔碳材料在CO₂捕集領域的研究進展。文章首先基于不同的前驅體材料，綜述了設計和合成多孔碳的方法論，著重分析了有效調節孔隙結構和表面化學性質的策略，特別總結了其制備-結構-吸附性能的關系。然后從孔結構和表面化學摻雜的層面，在本質上詳細討論了多孔碳和CO₂分子之間的相互作用機理，旨在從根本上揭示并理解多孔碳基材料的CO₂吸附行為。最后，文章全面總結了目前多孔碳材料在實驗室制備和實際工業生產中所面臨的挑戰，以及對其未來發展的機會與前景進行了展望。該綜述意在提供一個系統性的多孔碳材料設計和合成指導方針，為活躍在碳材料和氣體吸附領域的科研人員提供參考。

相關成果以題為“Rational Design of Tailored Porous Carbon-Based Materials for CO₂?Capture”發表在Journal of Materials Chemistry A (IF: 10.733)上。文章第一作者為張震博士生。

3、圖文導讀

圖1 生物質合成多孔碳基吸附劑

圖2 極微孔碳納米球合成策略

圖3 生物質（典型包括糖類）水熱碳化合成官能化的碳質材料

圖4

（a）纖維素水熱碳化反應機理；（b）改性水熱碳化過程制備富含羧基的碳微球

圖5 三重模板法合成多級孔碳材料

圖6

（a）自組裝策略合成含有多維度孔結構的多孔碳；（b）無模板策略合成微孔和大孔復合碳材料

圖7 硬模板法合成納米多孔碳

圖8 碳材料家族：

（a）無定形碳，（b）3D石墨，（c）2D石墨烯，（d）1D碳納米管，（e）0D碳富勒烯

圖9

（a）APTS改性碳納米管對CO₂吸附機理；（b）碳納米管用于水中CO₂捕集

圖10 多孔碳納米管用于CO₂和CH₄分離及其理論計算模型

圖11 不同分壓下CO₂吸附量與孔徑關系

圖12 蒙特卡洛分子動力學模型用于研究不同微孔孔徑對CO₂分子的作用

圖13 可控合成策略設計極微孔碳材料

圖14 含氧基團官能化的碳孔對CO₂的吸附作用

4、總結與展望：

多孔碳材料的合理設計和應用一直以來是材料科學中最引人關注的研究領域。過去幾十年已經見證了多孔碳材料的迅速發展，及其對CO₂捕集和分離的應用，為減緩全球變暖作出重要貢獻。理想的碳吸附劑應具有豐富的極微孔（孔徑小于0.7納米）和有效的化學基團修飾（例如N, –OH, –COOH, K, Mg, Na, Ca等）。

未來的研究重點應該關注于：1）發展綠色可再生資源作為前驅體來制備多孔碳，降低加工成本和促進可持續發展性；2）發展孔結構和表面化學高效可調的合成方法論，最大化CO₂捕集效率；3）CO₂捕集性能評價應在真實或者模擬真實環境（含有水蒸氣、其他酸性氣體等競爭吸附組分）下進行，而不是實驗室規模最常見的動態純氣體測試條件；4）常被忽視的吸附動力學研究必須給予足夠重視，來實現經濟高效的吸附-脫附循環再生過程。

我們希望該綜述文章可以為新型多孔碳材料的設計和加工提供指導，對未來氣體吸附分離材料的研發有重要借鑒意義。

文獻鏈接：Rational Design of Tailored Porous Carbon-Based Materials for CO₂?Capture, J. Mater. Chem. A, 2019, DOI: 10.1039/C9TA07297G.

5、團隊介紹：

陳忠偉，加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo)化學工程系教授，滑鐵盧大學電化學能源中心主任，加拿大國家首席科學家(CRC-Tier 1), 國際電化學能源科學院副主席，加拿大工程院院士。陳忠偉院士帶領一支約70人的研究團隊常年致力于燃料電池，金屬空氣電池，鋰離子電池，鋰硫電池，鋰硅電池，液流電池等儲能器件的研發和產業化。近年來已在Nature Energy, Nature Nanotechnology, Nature Communication, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Energy & Environmental Science, ACS Nano等國際頂級期刊發表論文270余篇。目前為止，文章已引用次數達20000余次, H-index 指數為73，并擔任ACS Applied & Material Interfaces副主編。

課題組主頁：http://chemeng.uwaterloo.ca/zchen/

本文由滑鐵盧大學陳忠偉團隊供稿。

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