源自竹子的N掺杂生物炭，用于高效吸附二氧化碳

时间：2026年1月22日

来源：Journal of Analytical and Applied Pyrolysis

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纳米活化竹炭制备及CO₂吸附性能研究。采用竹茎、竹枝、竹叶为前驱体，通过650℃下NaNH₂活化制备氮掺杂多孔碳，比表面积762-2401 m²/g，微孔体积占比91.4%。最优样品BS-1在0℃、1 bar下吸附容量达5.02 mmol/g，通过调控原料与NaNH₂质量比1:1实现性能优化。DFT计算表明吡咯N与CO₂存在强酸碱相互作用，贡献主要吸附能。该法工艺简单、成本低，为生物质基CO₂吸附剂开发提供新路径。

丹当|吴一超|张俊成|姜新义|孟国清|吴卓|查宝鑫|王兴义|刘文军|何璐

河南工业大学化学与化学工程学院，郑州450001，中国

摘要

N-掺杂的多孔碳已被广泛用于烟气环境中二氧化碳（CO₂）的捕获和分离。然而，其大规模工业应用受到制备过程复杂性和相关高成本的阻碍。本研究提出了一种在650 ℃下直接合成N-掺杂多孔碳的简单方法。该方法使用竹子的不同部分作为碳前体，NaNH₂作为活化剂和氮源，成功制备出了具有良好微孔结构的高性能N-掺杂多孔碳。通过XRD、XPS、SEM和BET分析等多种表征技术对材料的性能进行了研究。所得多孔碳的比表面积为762–2401 m²/g，孔体积为0.482–1.352 cm³/g。最优样品（BS-1）在0 ℃和1 bar压力下的CO₂吸附容量为5.02 mmol/g。系统研究表明，多孔碳的比表面积、微孔体积、微孔率和氮含量共同影响了其CO₂吸附性能。此外，这些由竹子衍生的N-掺杂多孔碳表现出良好的CO₂/N₂选择性和吸附等温热（Q_st）。密度泛函理论（DFT）计算进一步阐明了含氮结构与CO₂分子之间的相互作用机制。结果表明，吡咯基氮（pyrrolic-N）对CO₂的吸附能量最强，这归因于含氮结构与CO₂之间的路易斯酸碱相互作用。这些基于竹子的低成本多孔碳的简单合成过程和低温特性表明它们具有作为CO₂吸附剂的潜力。

引言

二氧化碳（CO₂）是一种主要的温室气体[1]，其大气浓度的上升加剧了全球变暖和气候相关灾害，对生态系统和人类社会构成了严重威胁[2]、[3]。碳捕获、利用和储存（CCUS）技术对于减少CO₂排放至关重要[4]，其中CO₂捕获是核心过程[5]。目前，胺类溶液被广泛用于CO₂捕获——这是一种相对成熟的方法——但它们仍存在高能耗和材料腐蚀问题[6]。在各种CO₂分离方法（吸附、溶剂吸收、膜分离[7]、[8]、[9]）中，吸附方法因其高效、低能耗、宽操作范围和优异的再生性能而备受青睐[10]。

多孔吸附材料如金属有机框架（MOFs）[11]、[12]、[13]、共价有机框架（COFs）[14]、[15]、多孔有机聚合物（POPs）[16]、[17]和超交联聚合物（HCPs）[18]已被广泛用于CO₂捕获。然而，它们的成本仍然是工业应用的主要障碍。相比之下，一些传统的CO₂吸附材料，包括沸石分子筛[19]、[20]、金属氧化物[21]、[22]和多孔二氧化硅材料[23]、[24]，在有效CO₂分离方面面临挑战，这主要是由于它们的CO₂吸附能力有限，尤其是在低浓度CO₂条件下[25]。此外，碳材料在燃烧后CO₂捕获中的应用具有巨大潜力。研究人员发现活性炭材料因其经济性、优异的吸附性能和良好的热稳定性而成为优选[26]、[27]。因此，迫切需要开发既经济可行又具有高CO₂吸附效率的高性能多孔碳吸附剂。在用于活性炭生产的各种原材料中，生物质材料因其可再生性和环保性而脱颖而出。因此，生物质衍生的活性炭在气体吸附（包括H₂、CO₂和C₇H₈）领域受到了广泛关注[28]、[29]。这种材料具有多种优良特性，包括高CO₂吸附容量、经济性、良好的孔隙结构和大的比表面积以及优异的热稳定性[30]、[31]。与其他吸附材料相比，由生物质衍生的活性炭在CO₂捕获中发挥着重要作用[32]。

未活化的生物炭由于孔隙率低和比表面积小，其CO₂吸附性能不佳[33]。其吸附性能受物理性质（比表面积、孔隙率、孔径分布）和化学性质（表面官能团的类型和数量）的共同影响[34]。高比表面积、丰富的微孔以及含氮/氧/磷（N/O/P）官能团已被证明可以增强CO₂的吸附能力和选择性[35]、[36]，这使得N-掺杂多孔碳成为CO₂捕获的研究焦点。通常通过生物炭与活化剂或富氮化学品的反应来合成N-掺杂多孔碳[37]，例如使用尿素（氮源，KOH作为活化剂）[38]和大豆粉（三聚氰胺作为氮源，KOH作为活化剂）[39]制备的N-掺杂多孔碳，这两种方法均表现出优异的CO₂吸附性能。然而，这些高温活化方法繁琐且能耗高。在这种情况下，氨基钠（NaNH₂）是一种有前景的双功能试剂[40]、[41]，但现有研究主要关注单一生物质前体（如核桃壳[42]、酚醛树脂[43]），缺乏对同一生物质中不同组分的系统比较。本研究通过以下方式填补了这一空白：（1）使用竹子的三个不同部分（茎、枝、叶）作为前体，以揭示生物质结构对碳性能的影响；（2）通过NaNH₂活化实现可调的超微孔含量，这对CO₂捕获至关重要；（3）结合实验和DFT来阐明超微孔和吡咯基氮对CO₂吸附的协同效应。这些特点使我们的工作区别于之前的NaNH₂活化的生物质碳。研究结果表明，在这三个组分中，竹茎衍生的生物炭（BS-1）在0 ℃和1 bar压力下的CO₂吸附容量最高（5.02 mmol/g），这归因于其卓越的微孔体积（91.4%）和平衡的吡咯氮含量。这一发现提供了一个实用的设计规则：选择竹茎作为前体，并控制NaNH₂/生物质的质量比为1:1，可以通过NaNH₂活化制备出高性能的CO₂吸附剂。

竹子作为一种生长迅速的生物质资源，在中国不仅储量丰富，而且生长周期短、再生能力强，是生产生物质活性炭的理想原料。在本研究中，通过两步过程（即炭化后活化）使用不同的竹子部分（竹茎、枝和叶）作为前体，制备出了具有良好微孔结构的N-掺杂多孔碳。NaNH₂同时用作活化剂和氮源，实现了高效的CO₂吸附。所得材料表现出高的比表面积和丰富的微孔结构。测试了材料的CO₂吸附能力和循环稳定性，并计算了吸附等温热和CO₂/N₂选择性。此外，还研究了不同竹子部分和NaNH₂重量比对制备的活性炭结构和CO₂吸附性能的影响。结果表明，本研究中基于竹子的活性炭制备过程简单且易于扩展，这对CO₂捕获具有重要意义。

材料

本研究中使用的竹子来自浙江省东阳市，经过清洗并在100 ℃下干燥过夜，干燥后的竹子被粉碎。NaNH₂购自上海阿拉丁生化科技有限公司。去离子水在实验室自制。CO₂（99.99%）和N₂（99.99%）购自中国河南省颖中化工有限公司。所有化学品均按原样使用，无需进一步纯化。

基于竹子的多孔碳的制备

竹茎、竹枝和

结果与讨论

图1展示了使用三种竹子部分作为原料，通过NaNH₂活化制备N-掺杂活性炭的过程。

结论

总之，我们对NaNH₂活化的竹子衍生活性炭进行了深入研究，以了解其在高效吸附和分离CO₂方面的潜力。我们特别研究了使用不同竹子部分作为碳源对CO₂吸附性能的影响。制备的活性炭表现出良好的特性，包括足够的CO₂吸附容量、合适的吸附等温热（Q_st）和有效的回收性能。

CRediT作者贡献声明

张俊成：监督、研究。吴一超：撰写——初稿、方法学、数据分析。丹当：撰写——审阅与编辑、研究、资金获取。吴卓：可视化、监督、研究。孟国清：验证、监督、资源协调。姜新义：验证、软件使用、数据管理。何璐：撰写——审阅与编辑、验证、监督、概念构思。刘文军：监督、项目管理、资金获取。王兴义：