中科院苏州纳米所张学同研究员、盛智芝副研究员Small:气凝胶固液复合多孔材料的高效CO2吸附与分离
      经济与社会的高速发展造成温室气体的排放量逐年升高,目前,全世界均面临着碳排放带来的潜在威胁,促使全球从政治、经济和技术领域采取各种措施,以减少碳排放的影响。其中,碳捕集与封存(CCS)技术被认为是用于CO2捕集、转运和封存的有效手段,发展高效的二氧化碳捕获材料是双碳目标下的国家重大需求之一。然而,大多数固体吸附剂的碳捕获能力受吸附条件(温度、湿度和压力等)影响较大,而液体吸收剂能耗高,吸收速率受到传质传热的限制。因此,如何获得具有高吸附量和高吸附速率的二氧化碳捕获材料是仍然面临着严峻的挑战。
       近日,由中科院苏州纳米所张学同研究员、盛智芝副研究员团队利用具有大比表面积和高孔隙率的疏水氧化硅气凝胶(SiO2)作为固体基底,以富含氨基活性位点的四乙烯五胺(TEPA)作为功能液体,利用固液复合策略制备了一种含有多余孔隙的SiO2/TEPA固液复合材料(LIAPCs),在保存气凝胶孔结构的同时在孔内共形复合了一层10-20 nm的功能液体,该固液复合材料具有优异的结构与热稳定性,并实现了对CO2的高吸附能力、快速吸附动力学以及高气体选择性。LIAPCs在75 ℃以及15% CO2体积分数下对CO2的吸附量达到5.44 mmol/g,且拥有较宽的温度和CO2浓度适用范围;同时,LIAPCs对CO2吸附具有优异的循环再生稳定性,对CO2/N2混合气体中CO2吸附的选择性高,且在低湿度条件下具有更优的选择性。
图1 用于CO2捕获和CO2/N2分离的固液复合多孔材料(LIAPC)的设计策略。a)复合材料的设计策略,以实现高吸附容量、高吸附动力学和高液体利用率。b)复合材料的制备路线。c)CO2吸附和解吸以及气体分离示意图
图2 LIAPC的制备。a) 在SiO2气凝胶中引入功能性液体,以及冷冻干燥和真空干燥过程在制备LIAPC方面的比较。b) 二氧化硅气凝胶的 SEM 和疏水性。c) TEPA 和 TEPA/叔丁醇在 SiO2气凝胶上的浸润性。e) LIAPCs和TEPA/叔丁醇溶液在不同比例下的负载量的关系。f)通过冷冻干燥(SiO2-TEPA/50(fd))和真空干燥(SiO2-TEPA/50(vd))制备的相同的TEPA负载量LIAPCs的形态比较。 g, h) SiO2气凝胶、SiO2-TEPA/30 (fd)和 SiO2-TEPA/30 (vd)的氮吸附-脱附等温线和孔径分布。SiO2-TEPA/30 (fd)和SiO2-TEPA/30 (vd)分别代表通过冷冻干燥和真空干燥获得的含有30 wt.% TEPA的LIAPCs。i) 负载 TEPA 之前和之后的 SiO2气凝胶的 XPS 光谱。
图3 LIAPCs的固液界面附着力、形态和热稳定性。a)SiO2气凝胶、TEPA和LIAPCs的FTIR光谱。b)LIAPCs的固体和液体界面之间的黏附功。c) 不同 TEPA 负载量的 LIAPCs 的正电子湮灭寿命光谱。e) LIAPCs中液体层覆盖的固体基质的AFM形态。 f) 用AFM探测LIAPCs在不同位置的力曲线。 g) 不同TEPA负载量的LIAPCs的SEM形态。h,i) 不同TEPA含量的LIAPCs的TGA(h)和DTG(i)曲线。
图4 高效二氧化碳捕集。a) LIAPCs对CO2的吸附和解吸过程示意图。 b) 不同CO2浓度对LIAPCs吸附能力影响。 c) 不同大小的TEPA液滴的吸附性能比较。 d) SiO2、TEPA和LIAPCs的吸附曲线。 e) SiO2固体基体、TEPA和LIAPCs的DTG吸附速率比较。f) 不同 TEPA 负载量的 LIAPCs 的 CO2吸附曲线。 g) 不同TEPA含量的LIAPCs 的吸附能力及其对 TEPA 中胺效率的影响比较。 h) 不同TEPA含量的 LIAPCs 的吸附能力的双指数拟合。 i) 不同吸附材料的CO2吸附量和吸附速率(半衰期)比较。
图5 高效CO2吸附-解吸循环稳定性和CO2/N2选择性。a) 用热重仪测定的吸附-解吸循环稳定性示意图。b) 用TG-DSC测量LIAPCs(SiO2-TEPA/70)在CO2吸附过程中的温度变化、质量变化和热流变化。 c) SiO2气凝胶、TEPA和SiO2-TEPA/70的吸附-解吸循环。 d) LIAPCs的CO2/N2分离示意图。e) CO2/N2的吸附穿透曲线和吸附量穿透曲线(插图)。 f) CO2和N2的吸附速率穿透曲线,以及CO2/N2分离前后SiO2-TEPA/70的FT-IR光谱(插图)。g) 水分对CO2/N2的饱和吸附量和选择性的影响。 h) 水分对穿透点和吸附速率的影响。 i) 不同吸附剂材料的CO2/N2选择性对比。
结论
       本研究将纳米厚度的TEPA功能液体共形附着于气凝胶多孔中,形成了含有多余孔隙的气凝胶固液复合材料,多余孔隙结构为气体提供了高效的传质通道,与CO2接触的活性位点变多,实现了高吸附量与吸附速率的统一。固液复合的概念为设计制备高效的CO2捕获和气体分离材料开辟了新的途径。
论文信息:
Liquid-in-aerogel Porous Composite Allows Efficient CO2 Capture and CO2/N2 Separation
Haotian Jiang, Yinglai Hou, Zengwei Liu, Ruizhe Yuan, Yu Du, Xiaofei Ji, Zhizhi Sheng*, and Xuetong Zhang*
Small
DOI: 10.1002/smll.202302627
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202302627