综述：基于碳的气凝胶的设计与功能化以实现增强CO₂吸附性能：综述

碳基气凝胶（CBAs）因其超微孔结构、异原子掺杂及轻量化特性，成为高效二氧化碳捕获的新型吸附剂。研究系统评述CBAs的合成策略、孔隙调控机制及吸附性能，比较其与沸石、活性炭、MOFs等材料的优势，发现CBAs在CO2/氮气选择性（30-100%）、循环稳定性及规模化潜力方面表现突出。重点分析吸附动力学与等温模型，探讨合成复杂性和成本等挑战，并提出理性设计与工业应用方向。

Khalil T. Hassan | Nawal Madkhali | Muayad A. Shihab

纳米材料研究中心，安巴尔大学科学学院物理系，伊拉克拉马迪31001

摘要

对化石燃料需求的增加严重影响了大气中的二氧化碳（CO₂）浓度，加剧了全球气候变化和空气污染。为了减少CO₂排放，基于碳的气凝胶（CBAs）最近受到了关注，作为一种从工业来源或直接从大气中捕获CO₂的有前景的方法。本综述系统总结了CBAs在CO₂吸附方面的最新进展，重点讨论了超微孔、杂原子掺杂和杂化对提高性能的作用。报道的CBAs在常温条件下的CO₂吸附值通常在约3–6 mmol g⁻¹范围内。此外，在优化系统中，CO₂/N₂选择性超过了30–100%。这些吸附剂在多次吸附-解吸循环中保持了稳定的性能。与沸石、二氧化硅气凝胶、活性炭和MOFs的比较表明，当超微孔和杂原子掺杂剂（N、S、B、P）被最佳结合时，CBAs具有高吸附能力、良好的选择性、结构稳定性和可扩展性。与以往主要关注合成策略或一般性质的综述不同，本综述深入分析了功能化策略、吸附动力学/等温线模型以及与其他吸附剂的性能比较。吸附等温线和动力学模型不仅作为数学工具进行评估，还结合实际吸附数据来验证描述基于碳材料的气凝胶（CBAs）CO₂吸附的最佳模型。总体而言，本综述阐明了结构与性能之间的关系，指出了合成复杂性和成本等关键挑战，并概述了下一代CBAs用于CO₂捕获的合理设计和工业转化的未来方向。

引言

目前，环境污染已达到一个临界点，这对可持续增长、发展、自然循环和生物体的健康产生了负面影响。由于全球对化学品、商品和燃料需求的增长，二氧化碳排放是全球变暖的主要因素之一[1]。在过去的50年里，CO₂浓度从310 ppm急剧上升到超过415 ppm [2]、[3]、[4]。根据NASA戈达德空间研究所（GISS）的研究结果，大气温度的升高导致格陵兰岛和南极洲的面积减少。此外，极端气候事件如热浪、野火和强降水也达到了较高水平。因此，为了短期内缓解气候变化，CO₂捕获是最实际和有前景的解决方案。为此，采用了多种技术，如吸附、膜分离[5]、生物转化和低温技术[6]。从工业角度来看，水性胺处理是目前主要的CO₂捕获技术。然而，这种方法存在操作和再生方面的限制，如腐蚀、溶剂降解和高能耗[7]。因此，包括吸附或分离技术的另一种解决方案更为简单、经济、可回收且环保。固体吸附剂因其出色的性能（如高表面积）而适用于分离应用。这些吸附剂包括活性炭、金属有机框架（MOFs）、分子筛、气凝胶和多孔聚合物[8]。另一种固体吸附剂的例子是基于碳的材料（CBMs）。CBMs，包括活性炭、碳纳米管（CNTs）和基于石墨烯的材料，在多次CO₂吸附循环中表现出快速吸附-解吸动力学、出色的热稳定性和化学稳定性，同时保持其结构完整性[9]。

气凝胶是一种具有轻质、隔热以及物理和化学特性的固体吸附剂。气凝胶符合当前使用轻质材料和减少碳排放的趋势[10]。对于潜在的CO₂吸附，掺氮的基于碳的气凝胶表现出出色的吸附性能。基于碳的气凝胶具有层次化的孔结构，包含微孔、介孔和 macropores。这些特性促进了快速的质量传递动力学，并提供了丰富的吸附位点。此外，基于碳的气凝胶表面的羟基不仅增强了CO₂吸附能力，还便于进行化学修饰。这扩展了气凝胶作为高效碳捕获和利用技术的适用性[8]。随着纳米技术的进步，基于碳的气凝胶（CBAs）由生物质衍生的碳、CNTs、基于聚合物的碳纳米纤维（CNFs）和石墨烯等材料制成。制备过程始于形成3D水凝胶，然后通过超临界干燥、冷冻干燥或常压干燥等方法进行干燥。最后一步包括热还原或碳化。干燥方法显著影响CBAs的结构和气体吸附性能。例如，常压干燥能耗低且易于操作，但不适合某些柔软的气凝胶，因为毛细力和粘附力可能会损坏网络结构。另一方面，冷冻干燥避免了这些问题，但需要仔细控制冷冻过程以防止大冰晶形成，这可能会扩大孔径并缩小气凝胶结构。因此，常压干燥和冷冻干燥都有其局限性，可能对气凝胶性能产生不利影响。而超临界干燥虽然能产生所需结构的气凝胶，但成本高昂且耗时，不适合大规模生产CBAs[11]、[12]。正如所提到的，气凝胶在捕获和利用二氧化碳方面的高效性为解决全球CO₂排放和气候变化问题提供了可行的方案；因此，已有许多综述专注于气凝胶的合成、性质和多种应用。例如，De France等人在其综述中研究了基于纳米纤维素的气凝胶的功能性，并展示了它们在CO₂捕获之外的多功能性[13]。Keshavarz及其同事的另一篇综述提供了气凝胶改性技术和提高CO₂吸附能力的各种方法的广泛概述[14]。同样，Baolu Cui等人研究了不同改性和复合制造技术对各种类型气凝胶CO₂捕获性能的影响[8]。Ankita Sao等人讨论了结合不同材料合成混合气凝胶的方法，以及用于CO₂吸附的气凝胶[8]。这些综述还系统地总结了重要结果，并强调了混合气凝胶在CO₂捕获方面的未来潜力，作为实现可持续解决方案的宝贵途径[15]。S. A. Bahadi等人进行的综述还重点介绍了气凝胶材料在CO₂捕获方面的最新发展和应用[16]。Yafei Shen等人探讨了合成、改性以及与CO₂吸附相关的性质-性能方面的最新进展[17]。这些综述和其他许多综述共同强调了气凝胶技术在CO₂捕获方面的日益增长的兴趣和进步。

虽然所有这些综述主要集中在合成和结构方面，但对功能化策略、吸附机制、动力学建模和基于碳的气凝胶的工业可行性等方面的关注有限。本综述试图通过提供对CBAs用于CO₂吸附的批判性和全面分析来填补这一空白。具体来说，综述首先讨论了合成和功能化方法，包括胺负载和杂原子掺杂，强调了它们对CO₂吸附量和选择性的影响。然后，将其与其他主要多孔吸附剂（如硅胶、沸石和MOFs）进行了比较。此外，它还使用实验数据评估了吸附等温线和动力学模型，以确定最佳的CO₂吸附模型。最后，讨论了当前的限制、可扩展性、挑战和工业应用的未来机遇。

CO₂捕获的固体多孔吸附剂

碳捕获、利用和储存（CCUS）方法为捕获过程提供了深入的理解。CCUS是一种有效的捕获和储存CO₂的必要策略。CCUS通常分为三种核心方法（图1）：燃烧前、燃烧后和氧燃料燃烧。燃烧前方法涉及在燃烧前从合成气中去除CO₂。相比之下，燃烧后方法涉及从烟气中捕获提取的CO₂。

CO₂的吸附过程

一般来说，吸附过程分为化学吸附和物理吸附。化学吸附涉及通过化学键合将CO₂气体从合成气中捕获。这种方法在正常压力下的速率通常高于物理吸附，因此特别适合在大气条件下进行燃烧后CO₂捕获。然而，化学吸附有几个缺点。随着时间的推移，其效率会下降，且该过程

选择CO₂吸附剂的标准

由于全球碳中和的迫切需求，多孔碳吸附剂的发展受到了广泛关注。在选择用于主动CO₂吸附的材料时，应考虑几个关键因素以确保效率和实用性。为了使CBAs能够与其他已知的固体吸附剂竞争，必须满足三个主要条件。

基于碳的吸附剂在CO₂捕获中的重要性

基于碳的吸附剂因其独特的性质（如高表面积、可调孔隙率、轻质结构和化学稳定性）而成为有前景的CO₂捕获吸附剂。许多多孔材料（如沸石）在相对较低的压力下表现出良好的CO₂吸附性能；然而，它们的性能受湿度影响[91]。与沸石不同，CBAs结合了层次化的孔网络和化学活性表面。

气凝胶

气凝胶是一种三维、高度多孔的材料，可以由有机、无机或混合分子前体制成。通常，气凝胶是通过溶胶-凝胶工艺生产的，该过程涉及液体“溶胶”转变为固体“凝胶”相。然后必须使用特定的干燥技术（如超临界干燥或冷冻干燥）去除凝胶内的液体，同时保持脆弱的多孔结构。制备的气凝胶具有极低的

结论

CBAs是最通用和有效的CO₂捕获固体吸附剂之一。本综述讨论了全面的评估标准，包括CO₂吸附容量、选择性、工作容量、吸附等温热、循环稳定性和可扩展性。在这种情况下，某些类别的碳气凝胶成为特别有前景的CO₂捕获候选者。其中，特别是掺杂了杂原子的CBAs，尤其是N和

CRediT作者贡献声明

Khalil T. Hassan：撰写——综述与编辑、原始草稿撰写、可视化。Nawal Madkhali：原始草稿撰写、资金获取。Muayad A. Shihab：综述与编辑、原始草稿撰写。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Nawal Madkhali报告称得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMISU）的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

Khalil T. Hassan博士是纳米科学和先进材料领域的助理教授。他于2003年12月加入科学学院物理系。目前，他致力于气凝胶合成、超绝缘材料制造、氧化石墨烯、石墨烯和纳米材料的研究。Khalil博士在纽卡斯尔大学化学工程与先进材料系获得了纳米科学和先进材料的博士学位，导师为