基于介孔空心球的新型CO2吸附剂的设计制备与性能研究

本项目针对当前日益紧迫的CO2捕获任务，旨在设计开发一类具有独特纳米多孔结构的新型CO2吸附剂。首先通过对介孔氧化硅的表面改性，在孔壁上均匀涂覆一层高度分散的氨基聚合物（如PEI）或氨基改性的离子液体（ILs），保持孔道畅通利于扩散传质，显著提高CO2吸附-脱附速度；创新地采用选择性碱蚀技术控制合成具有空腔结构的单分散纳米介孔球，通过真空纳米浇注技术将PEI或聚ILs灌注至空心球的纳米空腔内，或进一步在其壳层孔道内壁负载PEI或ILs纳米涂层，保持壳层孔道畅通，提高吸附-脱附速率的同时，通过大幅提高装载量实现CO2吸附容量的显著提高；系统评价不同CO2分压、温度和湿度下吸附剂的吸附容量、吸附选择性和吸附-脱附速度、再生条件和循环吸附-脱附稳定性。通过对吸附剂结构和组成的不断优化，最终获得一类具有独特纳米多孔结构、兼具高吸附容量和高吸附-脱附速率、再生循环使用稳定性好的高效CO2吸附剂。

化石能源的大量消耗带来严重的环境问题（比如全球气候变暖），同时化石能源的危机形势使人类必须寻求新的可持续能源来代替化石能源。CO2捕获被认为是减轻温室效应的有效手段，同时也是CO2催化转化实现资源化的前提。本课题在可控制备不同粒径、空腔大小、壳层厚度和介孔孔径的介孔空心球HMSNs的基础上，实现了PEI和ILs在其中的负载。当PEI负载量为60 %，负载温度为50 ℃时，PEI/HMSNs的CO2吸附容量为2.29 mmol/g；当ILs负载量为50 %，负载温度为50时，IL/HMSNs的CO2吸附容量为2.34 mmol/g；二者均表现出高的循环稳定性和CO2/N2选择性；但二者的吸附容量并没有文献报道的那么高，甚至没有一些微孔活性炭的吸附容量好。考虑到该类复合吸附剂制备工艺的复杂性和经济性，我们后期将目光更多地转移到了多孔活性炭上，利用生物质（壳聚糖、酪蛋白等）为碳源，碳酸钾为活化剂，一步合成了两种新型N掺杂的多孔活性炭：源于壳聚糖的多孔活性炭微孔率可达99%左右，在1atm25 ℃条件下，对CO2的吸附容量可达3.86mmol/g; 源于酪蛋白的多孔活性炭具有特别适宜CO2吸附的微孔孔径（~0.6纳米）和独特的N物种组成（苯胺基团为主），在1atm25 ℃条件下，对CO2的吸附容量可达5.78mmol/g；因为具有丰富的N物种，该类多孔碳对CO2具有高的吸附选择性；且循环使用稳定性良好。针对CO2选择性捕获以后如何变废为宝的问题，我们开展了CO2光催化还原获取含碳太阳能燃料的初步研究，设计合成了两种基于石墨氮化碳（g-C3N4）的复合可见光催化剂：g-C3N4/Bi2WO6和介孔CeO2/g-C3N4 复合半导体催化剂，前者在可见光下可将CO2高选择性地还原为CO，CO的产量可达到5.19µmol/g•h，分别是纯的Bi2WO6和g-C3N4的6.4倍和22倍，后者在可见光下可将CO2还原为CO和CH4，室温氙灯照射一小时在50mg催化剂上CO和CH4的产率可分别达0.590和0.694 μmol，复合催化剂两组分间的协同催化效应是催化性能显著提高的原因。