氨基功能化埃洛石微球分级孔结构调控及其二氧化碳吸附性能强化

Constructing clay-based solid adsorbents with hierarchical pores based on the structural characteristics of natural clay minerals and amine-functionalization strategy will be crucial to improving carbon dioxide adsorption performances and reducing the production cost. The project aims to use natural halloysite nanotubes as substrate to fabricate porous microspheres with interconnected pores through in-situ acid leaching and electrostatic self-assembly technology, which can realize pore structure micro-design and effective regulation. And then, the amine-functionalization strategy will be used to synchronously improve the CO2 adsorption capacity and cycling stability of the composites through physical and chemical adsorption together. In this project, we will elucidate the major mechanisms regulating the pore structure of halloysite step by step at the atomic scale, ascertain the interface coupling states between organic amines and halloysite microspheres and realize the effective amine-functional modification. For the amine-impregnated porous microspheres, we will study their CO2 adsorption characteristics, reveal the influence regularities of multiple channel surfaces and chemically modified active sites on their CO2 adsorption performance, establish the model of gas adsorption and diffusion in the hierarchical porous structure, clarify the synergistic enhancement mechanism of CO2 adsorption capacity and cycling stability, and finally found the relationship between the microstructures and the enhanced properties of the composites. Furthermore, the implementation of this project could provide a new insights into high-value utilization of natural mineral resources, and offer the theory support for developing the CO2 adsorption technology with high performance and low cost.

基于天然粘土矿物的结构特性和氨基功能化策略，构筑矿物基分级多孔固体吸附剂将有助于提高CO2吸附性能并降低成本。本项目拟以天然埃洛石为基体，通过原位活化酸浸和静电组装技术构筑孔道交互贯通的埃洛石多孔微球，实现对天然纳米管状矿物孔道结构的微观设计和分级调控。然后利用氨基功能化修饰策略，通过物理化学协同吸附，同步提高吸附材料的循环稳定性和吸附容量。从原子尺度阐明埃洛石矿物孔道结构分级调控的微观机制，明确有机胺与复合材料的界面耦合状态，实现复合材料高效率氨基表面功能化修饰。研究复合材料对CO2的吸附特性，揭示多级孔道复合表面和化学修饰活性位点与CO2的相互作用规律，建立多级孔道结构中的气体吸附和扩散模型，阐明复合材料CO2吸附容量和循环稳定性协同增强机理。建立复合材料的微观结构与吸附性能之间的内在联系，为天然矿物资源的高值化加工提供新思路，同时为开发高性能和低成本的CO2吸附技术提供理论支持。

通过固体吸附剂对二氧化碳进行捕集和封存被认为是一种快速减少碳排放、缓解温室效应的有效途径。基于天然粘土矿物的结构特性和氨基功能化策略，构筑矿物基分级多孔固体吸附剂将有助于提高二氧化碳吸附性能并降低成本。本项目对天然埃洛石矿物酸浸活化、表面改性并考察其对二氧化碳吸附性能的影响；采用自组装技术将埃洛石纳米管耦合，合成了多级孔结构交互贯通、有利于气体扩散传输的埃洛石多孔微球基体，并对其孔道结构进行了分级调控；通过化学嫁接和溶液浸渍法，均匀担载有机胺，构筑了氨基功能化矿物基二氧化碳吸附材料，并测试了其二氧化碳吸附性能。埃洛石矿物酸浸活化可提高氨基表面功能化修饰效率，自组装合成的多孔微球内孔道互联，具有更大的比表面积和孔容积，有利于有机胺的负载分散和残余孔道的保持，促进二氧化碳从材料表面快速扩散到聚乙烯亚胺活性位点，从而增强复合材料的二氧化碳吸附性能，通过物理化学协同吸附，同步提高了吸附材料的吸附容量和循环稳定性。复合材料聚乙烯亚胺负载量为40%，在75℃吸附温度下，二氧化碳吸附容量最高，循环稳定性良好。聚乙烯亚胺负载量较低时，吸附活性位点较少，不利于二氧化碳吸附容量的提高；负载量较高时，基体中的孔道结构被有机胺填满，不能形成残余的连通孔道，不利于二氧化碳气体的传输，增大了二氧化碳内部扩散阻力，氨基利用不充分，从而降低了二氧化碳吸附容量。阐明了埃洛石矿物孔道结构分级调控的微观机制，明确了有机胺与复合材料的界面耦合状态，揭示了多级孔道复合表面和化学修饰活性位点与二氧化碳的相互作用规律，阐明了复合材料二氧化碳吸附容量和循环稳定性协同增强机理，建立了复合材料的微观结构与吸附性能之间的内在联系。本研究为开发高性能和低成本的二氧化碳吸附技术提供了新思路，对黏土矿物资源的高值化加工利用具有重要的理论意义和实用价值。