大连理工「国家杰青」/国重副主任，新发Nature子刊！

成果简介

去除与水共存的低浓度密闭空间二氧化碳（CO₂）是必要的，但物理吸附法具有挑战性。为使去除过程有效，使纳米孔表面疏水以抵抗水是常用的方法。基于此，大连理工大学陆安慧教授和郝广平教授（共同通讯作者）等人报道了利用客体水在空间上选择性地形成局部表面结合水，并进一步诱导优先捕获CO₂，而不是阻止水占据纳米孔。本文提出了在非CO₂选择性区域选择性地形成致密水纳米膜，并将其原位转化为CO₂选择性吸附位点，从而利用共存水。

作者观察到在潮湿条件下，具有空间选择性极性位点的碳纳米孔对CO₂捕获性能的异常增强。研究表明，表面结合水是在极性碳纳米孔的非CO₂选择性区域形成的，从而产生了额外的CO₂捕获位点。本工作可能会启发设计环境耐受材料，用于恶劣条件下的分子分离和纯化。

相关工作以《Anomalous enhancement of humid CO₂ capture by local surface bound water in polar carbon nanopores》为题在《Nature Communications》上发表论文。

陆安慧教授，精细化工国家重点实验室副主任，辽宁省低碳资源高值化利用重点实验室主任，国家杰出青年科学基金获得者。首次提出“纳米空间限域热解”策略，创制胶体型炭，解决了纳米炭易团聚粘连的科学难题，推动了胶体催化技术和磁控分离催化技术发展；在国际上首次利用聚苯并噁嗪炭源实现了含氮多孔炭的一步合成，实现了纳米材料孔道与形貌的精准调变及功能高效集成，显著提升了多孔材料的CO₂吸附分离性能。

图文解读

在干燥条件下以及在75%RH条件下的第一个循环中表现出预期的CO₂去除性能。它逐渐失去了选择性CO₂捕获性能，并且在8个循环中CO₂突破时间减少了约60%。在500 °C下H₂还原1 h得到的样品记为MPC；对于较温和或较硬的热还原样品，分别用MPC-L（1 h, 300 °C, H2）和WPC（3 h, 500 °C, H₂）表示。对于MPC，与UPC相比，羧基含量降低了25%；而C和N的变化小于3.8%。在湿润条件下，MPC-H表现出最大的CO₂捕获性能增强，对比其干燥条件（MPC-D），其表现高达87%。作者认为，极性碳孔在MPC-H上的这种异常增强应与不同于上述极性晶体孔和胺修饰孔的独特的水促进CO₂吸附行为有关。

图1.不同极性和共存水对潮湿下纳米孔动态CO₂捕获性能的影响

对于MPC-H，在连续20次的动态突破试验中，对CO₂捕集性能的增强得到了很好的保持，说明吸附的CO₂在298 K的氩气净化下可以被可逆去除，并且在此条件下引入的水保持相当稳定。

在甲醇存在的情况下（记为MPC-M），CO₂突破时间增加了25%；乙醇样品（MPC-E）显示，突破时间减少了44%，表明甲醇还可以产生适合CO₂吸附的额外吸附位点，而甲醇比水更大的分子尺寸减少了容纳CO₂的有效体积。结果证实了机制的普遍性，即在水或其他具有合适分子大小的极性分子存在下，水促进了极性碳纳米孔上CO₂的捕获。

图2.吸附剂的再生和增强效果在不同材料上的扩展

图3.在干燥和潮湿下CO₂吸附过程中的动态结构变化

极性碳孔隙中存在空间选择性的表面结合水，与观测到的CO₂捕获增强效应非常吻合。对于表面结合水，MPC-H比MPC-D更快地达到CO₂吸附平衡。计算得到MPC-H中CO₂和N₂的扩散时间常数分别为1.83×10^-3 s^-1和1.86×10^-3 s^-1，比MPC-D分别增大10%和减小43%。

图4. CO₂捕获增强的量化

模拟场景选择一个体积为20 m³、湿度为75% RH的密闭空间，假设：有3名宇航员在太空中工作；设一人每小时平均呼吸的CO₂量为20 L。CO₂吸附床在1.3 bar压力、2000 L/min流速下交替工作，MPC-VSA过程后的出口气体（CO₂ <50 ppm）排放到空间站。在此期间，另一层通过真空和吹扫再生。密闭空间的CO₂浓度可在15 min内从3000 ppm降至1000 ppm，并在60 min内降至500 ppm。

在稳态条件下，水不再被吸附，床温和捕集量波动小于0.3%。由于温度升高到326 K，在13X上观察到工作能力降低了56%。13X-VTSA的再生能量需求高达41.3 MJ/kg CO₂，其中热再生能量占53.9%。在相同的条件下，MPC-VSA工艺无需去除水分和加热再生，可以减少54.2%的能耗，按18.9 MJ/kg CO₂计算，具有明显的优势。

图5.所设计的MPC吸附剂的应用案例和模拟结果

文献信息

Anomalous enhancement of humid CO₂ capture by local surface bound water in polar carbon nanopores. Nature Communications, 2024

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