介孔氧化钛复合材料的制备及其吸附二氧化碳性能研究

固体材料吸附法是一种节能、高效的捕集CO2的方法。关键是吸附剂的研究。本项目拟开展高效吸附CO2的介孔氧化钛复合材料的制备及其吸附性能的研究。以烷基胺为模板，钛的醇盐为前体制备一系列不同孔径大小、比表面积及孔容的介孔氧化钛材料。将对CO2有化学吸附作用的氨基负载其上，从而通过物理吸附和化学吸附的协同作用来提高吸附剂对CO2的选择性和吸附量。同时利用氧化钛所特有的表面可还原性，合成一系列还原态氧化钛复合材料并考察其吸附CO2的能力,研究结果将揭示通过改变材料的电子性质来提高吸附剂与CO2的结合力，进而提高CO2吸附能力和选择性的可行性，并且对拓宽CO2吸附研究领域方向和进一步明确CO2吸附机理具有重要的科学意义。通过优化以上两种复合材料的制备条件，获得最佳吸附效果的吸附剂，并揭示吸附剂的吸附性能、结构特点及制备方法之间的关联，为进一步开发高效吸附CO2的新型材料积累科学基础。

本项目开展了高效吸附CO2的介孔氧化钛复合材料的制备及其吸附性能的研究。以烷基胺为模板，异丙醇钛为前体制备了一系列不同孔径尺寸、比表面积及孔容的介孔氧化钛材料。考察了基态氧化钛针对CO2-H2 混合气的分离性能，研究发现，氧化钛吸附CO2的最大选择性可以达到9.87。证实氧化钛可以作为有潜力的燃烧前分离CO2的吸附剂。为了进一步提高吸附剂的吸附性能，将对CO2有化学吸附作用的氨基负载到材料孔道，得到氧化钛氨基化复合吸附剂，从而通过物理吸附和化学吸附的协同作用来提高吸附剂对CO2的选择性和吸附量。考察了有机胺的种类，有机胺的用量，基态吸附剂的孔径结构性质等因素对氨基化复合吸附剂吸附能力的影响，并采用硅基材料和多孔炭吸附剂作为参比材料。研究发现：随着有机胺浸渍量的增加，吸附剂吸附能力增加，但有机胺的利用率却减少，当有机胺的浸渍量为中等时，有机胺的利用率较高。而在相同的有机胺负载量下，随着有机胺的尺寸的减小，吸附剂吸附效果更佳。基体材料的比表面积，孔径和孔容的提高对CO2吸附能力有利，其中孔径的尺寸和孔容的大小对决定复合吸附剂吸附性能起着更重要的作用。根据上述结果，我们采用水热合成的方法制得具有高孔容和大孔径的氧化钛纳米管载体，进一步通过浸渍有机胺得到氨基化复合吸附剂，通过测试，发现在模拟火电厂烟气条件下，氧化钛纳米管复合材料具有比介孔氧化钛复合材料更高的吸附能力：4.33 mmol/g，同时研究结果也显示钛基复合材料具有比相应的介孔氧化硅，活性炭和多孔氧化铝复合材料更高的吸附能力。通过一系列表征分析，发现氧化钛表面和有机胺的结合力比相应的氧化硅和有机胺的结合力更高，这是由于氧化钛表面具有特殊的电子性质所决定的，钛原子可以通过刘易斯酸碱作用与有机胺结合，正是由于这种强的氧化钛表面与负载的有机胺的相互作用，使得浸渍的部分有机胺吸附CO2的能力增强，从而提高钛基吸附剂的吸附量和有机胺的利用率。同时我们也不能排除载体孔径结构性质对吸附性能的影响，我们认为钛基复合材料具有高的吸附性能是由于氧化钛表面特殊的电子性质和载体具有发达的孔隙结构共同决定的。本研究揭示了吸附剂的吸附性能和结构特点之间的关联，同时对氨基化复合吸附剂的CO2吸附机理的探索提供了有价值的信息，为进一步开发高效吸附CO2的新型材料积累了科学基础。