掺氮多孔碳在二氧化碳吸附分离中的应用

CO₂作为温室气体, 其捕集和存储有着重要的现实意义。多孔碳材料掺杂N原子后可以极大地改变材料的表面化学性质, 增强表面碱性, 在CO₂吸附领域具有广泛的应用。基于N掺杂最新研究进展, 本文系统地介绍了原位、后处理等掺N方法和不同孔道结构对CO₂吸附分离或扩散传质的影响, 总结归纳了材料的物理结构参数、表面化学性质与CO₂吸附分离性能的关系, 指出了各种制备方法存在的问题及解决的方法, 为高性能的CO₂吸附剂的定向设计、制备以及工业化提供了理论参考。     

介孔碳/聚酰亚胺杂化膜原位聚合法制备及其气体分离性能

通过原位聚合法分别将无序介孔碳（DOMC）、有序介孔碳（OMC）掺杂到聚酰亚胺（PI）中制备DOMC/PI、OMC/PI杂化膜。利用FTIR、TEM、SEM和XRD等分析表征两种介孔碳材料的结构及其掺杂对杂化膜形貌和结构的影响,结合CO₂和N₂的渗透实验考评杂化膜的气体渗透性能。DOMC、OMC均具有孔隙结构,且与CO₂分子之间存在相互作用,通过掺杂DOMC、OMC既能提高杂化膜的自由体积,又可促进杂化膜对CO₂的优先选择吸附。表现为掺杂DOMC、OMC可有效改善PI膜的CO₂、N₂渗透性能和CO₂/N₂渗透选择性。随掺杂量的增加,杂化膜的CO₂、N₂渗透性能和CO₂/N₂渗透选择性均先增大后减小。另外,相较于OMC,DOMC具有更多孔隙结构和更大的比表面积,使DOMC/PI杂化膜的CO₂、N₂渗透性能优于OMC/PI杂化膜,但两种杂化膜的CO₂/N₂渗透选择性相近。     

利用膜分离技术捕集燃烧后烟气CO2的工艺研究及应用现状

CO₂的捕集、利用与封存(CCUS)是实现碳中和的重要技术手段。燃料燃烧后烟气是全球最大的CO₂排放源，燃烧后烟气脱碳是膜法碳捕集的重要应用领域。国内外众多机构开展的膜法碳捕集技术研究大多停留在新型膜材料层面，仅有少数几家机构将其膜技术推进至工业示范阶段.本文总结分析了膜法碳捕集工艺及其在实际烟气中的应用情况，论述了单级膜工艺用于燃烧后烟气碳捕集的可行性，对比了不同类型多级膜工艺特点，分析了不同传质驱动力运行方式的优缺点，基于实际烟气碳捕集的研究情况和面临的问题进行了探讨，对膜法碳捕集技术在燃烧后烟气领域的应用前景进行了展望，为后续工业应用提供借鉴.     

离岸碳捕集利用与封存技术体系研究

离岸碳捕集、利用与封存(CCUS)技术是沿海国家或地区通过工程方式为实现CO₂减排而发展起来的解决方案与技术体系；相对于陆上CCUS技术，具有潜在封存空间广阔、封存安全等诸多优势。离岸CCUS技术指从沿海大型或近海碳排放源捕集CO₂，加压并运输至离岸封存平台后注入海底地质储层中，实现CO₂与大气永久隔离或利用其生产价值产品的过程。本文概要回顾了全球及我国离岸CCUS技术的发展需求与产业现状，分析了发展离岸CCUS的技术性和社会性价值；梳理总结了代表性的离岸CCUS技术发展路线及其态势，如CO₂工厂捕集、CO₂管道运输、CO₂海底咸水层封存与驱油利用、CO₂化学利用以及其他技术架构。着眼不同技术创新方向面临的共性问题，提出我国离岸CCUS领域未来发展建议：注重陆海统筹战略规划和布局，培养高水平研究团队，加强各发展阶段的基础研究、核心技术研发、成本控制、规模增扩和政策激励等。     

面向二氧化碳电化学利用的离子传导膜研究进展

利用可再生电力将化石能源利用过程中排放的CO₂还原为增值含碳化学品，不仅可以解决CO₂排放问题，还可以实现可再生能源存储，是实现我国“双碳”目标的重要途径.离子传导膜作为CO₂电解池中的重要组成部分，一方面其离子电导率决定了电能到化学能的转化效率；另一方面对不同离子的选择性和渗透性极大地影响了阴极催化剂反应微环境，进而影响了CO₂电催化还原性能和电极稳定性.本文总结了近些年包括室温离子交换膜、中高温耐热高分子膜和固体氧化物膜的不同离子传导膜在电催化CO₂转化中的应用，介绍了不同离子传导膜对CO₂还原反应、电极稳定性、产物收集等方面的影响，提出了不同离子传导膜在CO₂电还原转化利用过程中存在的问题与挑战，并给出了相应解决策略，最后对未来离子膜在CO₂电化学转化利用领域的研究进行了展望.     

用于CO2捕获的Pebax基薄膜纳米复合膜的研究进展

聚醚嵌段聚酰胺(俗称：Pebax)基薄膜纳米复合膜在CO₂捕获方面显示了巨大的应用价值，高性能的Pebax基薄膜可用于从工艺流程(含有CH₄、N₂和H₂的混合气)中捕获CO₂。Pebax对CO₂具有高的亲和力和强的机械性能，这主要归功于其灵活的聚醚段和具有一定机械强度的聚酰胺段。然而，纯Pebax薄膜受Trade-off效应的限制，为了突破Trade-off效应的限制，研究人员将无机和有机纳米填料加入Pebax基质中以提高Pebax基薄膜的分离性能。首先讨论了不同制备工艺和工艺参数下Pebax基薄膜的制备及性能。然后，综述了Pebax基复合薄膜的分离性能。最后，提出了提高膜性能的主要挑战和展望。     

微波辅助合成Ni-gallate(镍基没食子酸金属有机框架)用于CO2吸附的性能研究

CO₂排放导致的一系列环境问题，引起广泛关注，金属有机框架(MOFs)因其超高的孔隙率比表面积，被认为是捕集CO₂的理想材料。采用微波辅助合成Ni-gallate(镍基没食子酸金属有机框架),并借助扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)等表征手段进行分析。结果表明：相较于传统水热合成，微波辅助合成的材料有着较高的结晶度和规则的尺寸形貌，在25℃时表现出更高的CO₂吸附量(3.82mmol/g)。结合微波辅助合成快速高效的优点，通过相转化法和聚酰亚胺复合得到的聚合物材料，不仅具有良好的CO₂吸附性能，而且有着优异的机械和热稳定性，有进一步发展成为工业CO₂捕集材料的潜力。     

双金属MOFs的NO/CO2选择性吸附性能研究

采用溶剂热法合成制备含Co、Mn双金属节点的MOF-74材料，研究了室温下对NO的吸附性能，并通过IAST和穿透实验研究了材料的吸附选择性。结果表明，双金属Mn_0.2Co_0.8-MOF-74具有典型的MOF-74晶体结构，对NO的吸附量达到160.3cc/g,比单金属Mn-MOF-74提高了约19.4%。在低吸附分压时，NO/CO₂的理想溶液吸附(IAST)理论吸附选择性最大可达到397,经过5次循环吸附-脱附实验后的再生性能优良。模拟烟气的双组分穿透实验中，Mn_0.2Co_0.8-MOF-74对NO/CO₂的吸附分离性能达到35.5,可以作为一种优良的NO吸附分离材料。     

蔗渣活性炭二次活化制备及其吸附CO2性能研究

以蔗渣为原料, 以ZnCl₂为活化剂制备出活性炭AC, 并用KOH对活性炭AC进行二次活化制备活性炭KAC。用热重法测定材料的CO₂吸附脱附性能, 傅里叶红外光谱、氮气物理吸附-脱附和扫描电镜对样品进行表征。结果表明：KAC具有优异的CO₂吸附性能, 在60℃下其对CO₂吸附量可达3.45 mmol/g, 而AC的CO₂吸附量仅有1.79 mmol/g。KAC的CO₂吸附能力明显优于AC。循环吸附脱附的结果表明, 经过5次吸附-脱附, 材料的吸附量无显著变化, 表明材料具有良好的再生性能。傅里叶红外分析结果表明两种活性炭材料的特征峰基本一致, 活性炭表面官能团中羟基和羧基可以使活性炭表面的极性增大。氮气物理吸附-脱附和扫描电镜结果表明材料都具有发达的孔径结构, 但KAC的孔径结构比AC更发达, 因此其对CO₂的吸附能力也更强。     

混合超微孔材料中CO2/N2吸附与分离的理论研究

碳捕获与封存技术是一种具有前景的CO₂减排策略。本工作采用巨正则蒙特卡洛模拟研究了温度为298 K、压强在0~5 kPa范围内三种混合超微孔材料SIFSIX-X-Cu(以SiF₆ ^2-排列, Cu为金属中心, X=2, 3, O)中CO₂/N₂吸附与分离的行为。结果显示, 相比于SIFSIX-2-Cu, SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu中CO₂在0.5 kPa就达到吸附饱和, 且在1 kPa下的吸附量分别达到了2.70与2.39 mmol·g ^-1。CO₂/N₂混合气体中CO₂的吸附量几乎没有下降。SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu具有接近于CO₂分子动力学直径的孔径, 对CO₂亲和力较大, 吸附热分别达到了59和66 kJ·mol ^-1。密度泛函理论分析发现, 在两种结构中每个孔隙只吸附一个CO₂分子, 且几乎处于孔道的中心。本工作为低压下吸附与分离CO₂的混合超微孔材料的开发提供了理论指导。     

电纺纳米纤维诱导LDH生长促进CO2分离

先进的功能膜材料是实现高效膜分离的关键，要求兼顾选择性和渗透通量.层状双金属氢氧化物(LDH)表面存在丰富的-OH基团，对CO₂具有较高吸附选择性.利用晶种外延生长策略(SES),通过溶剂热合成在电纺纤维载体上诱导生长LDH,并用聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)在纤维间隙间原位光聚合得到致密的PEO/HPAN-LDH MMM,用于CO₂的高效分离.研究结果表明，沿纤维连续的低结晶LDH具有丰富的亲CO₂基团，提供连续亲和CO₂的传递通路.通过增加LDH生长次数，提高LDH的担载量.性能最佳的PEO/HPAN-LDH-2 MMM的CO₂渗透性能为132.1 Barrer, CO₂/N₂选择性高达99.4,相较于PEO/HPAN MMM,CO₂渗透性能提升46.8%,CO₂/N₂选择性提升25.8%.     

胺化木质素磺酸钠插层水滑石/Pebax混合基质膜的制备及气体分离性能研究

将胺化木质素磺酸钠(AL)通过阴离子交换法插层锌铝水滑石(LDH),得到填料AL-LDH,以聚醚嵌段酰胺共聚物(Pebax1657)为分离膜基材,制备具有一定成本优势的高CO₂/N₂选择性混合基质膜。通过傅里叶红外变换光谱仪、X射线衍射仪进行定性和结构表征。采用SEM观察AL-LDH和LDH的微观结构。力学性能测试结果表明,3%AL-LDH/Pebax的断裂伸长率和拉伸强度分别达到464.7%和18.7MPa,比纯Pebax膜分别提升了66.4%和12.6%。AL-LDH/Pebax的CO₂渗透率最高可达113.60Barrer,比纯膜提高了131%,比LDH/Pebax系列提升了15%,证明AL-LDH能进一步提升混合基质膜的CO₂/N₂分离和选择性。     

CO2和H2O在活性炭上的吸附平衡和吸附动力学研究

活性炭是应用在变压吸附分离CO₂工艺中的常用吸附剂, 而工业废气中一般都含有一定量的饱和水蒸气. 通过吸附等温线和穿透曲线分别研究了单/双组份的CO₂和H₂O在活性炭上的吸附平衡和吸附动力学. 结果表明, 活性炭对二氧化碳具有较高的吸附量, 并具有较好的CO₂/N₂吸附选择性. 由于吸水官能团的存在, 活性炭在较高分压下表现出较大的水蒸气吸附量. 不过由于吸附机理不同, 水蒸气在活性炭上的吸附几乎不会影响活性炭对CO₂的吸附. 动力学研究表明, CO₂在活性炭上的吸附速率远大于H₂O的吸附速率.     

CO2开关型表面活性剂聚酯烯基磺酸钠的合成及其乳化性能

高分子表面活性剂被广泛应用于科学研究及食品、农业、纺织等工业领域。为了减少在大多数实际应用过程结束后失去活性的高分子因残留引起的副作用,设计并开发新型的开关型高分子表面活性剂具有重要的意义和应用价值。为此,通过自由基聚合法制备了一种CO₂开关型高分子表面活性剂聚(甲基丙烯酸二乙氨基乙酯-乙烯基磺酸钠)(P(DEAEMA-SVS))。采用1H-NMR谱和GPC谱研究聚合物的结构与分子量分布。通过表面张力和界面张力的变化研究P(DEAEMA-SVS)乳液的稳定性。当甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(DEAEMA)/乙烯基磺酸钠(SVS)单体投料比为1∶1(摩尔比)时,形成的聚合物粒子粒径约为113 nm,粒径分布窄,可将水的表面张力降低至37.279 mN/m,将水/液体石蜡的界面张力降低至5.492 mN/m,是一种有效的CO₂开关型表面活性剂,可作为唯一乳化剂稳定乳液。P(DEAEMA-SVS)的水/液体石蜡乳液具有很好的CO₂开关性能,在通入CO₂ 30 min后可破乳,在60℃下通入N₂又可再乳化,且可多次循环。P(DEAEMA-SVS)表面活性剂水溶液可与液体石蜡形成水包油型乳液。乳化机制研究表明,P(DEAEMA-SVS)因侧链上的叔胺基团的疏水性,在CO₂的作用下发生质子化作用形成亲水的季铵盐,使乳液油水两相分离而破乳;60℃温度下通入N₂可去除CO₂,使聚合物侧链上的叔胺基团去质子化疏水吸附在油水界面上再次稳定乳液。      

稀土金属有机骨架吸附CO2研究进展

近年来,稀土金属有机骨架(Ln-MOFs)因具有捕获CO₂的优势而备受关注。Ln-MOFs因自身镧系离子存在特殊的电子排布而具有一些独特的功能,在气体吸附方面有一定潜能。综述了Ln-MOFs材料吸附CO₂的研究进展,介绍了配体选择及吸附结果,总结了提高CO₂捕获能力的方法,同时分析了Ln-MOFs材料使用中存在的问题,并对Ln-MOFs未来的发展前景进行了展望。     

离子液体改性金属-有机骨架复合材料的构筑策略及在环境介质中的应用

金属有机骨架（Metal-organic framework,MOF）是具有较高的孔隙率、比表面积及高度可设计性的新型纳米材料,在吸附分离、固相萃取等诸多领域有着广泛应用。离子液体（Ionic liquid,IL）具有稳定性好、功能可设计的特点,它作为新型绿色溶剂有极大的应用前景。将IL负载到MOF的孔隙中,开发新型离子液体改性金属有机骨架（IL/MOF）复合材料,可以充分发挥两种材料的优势。本文讨论了迄今为止IL/MOF复合材料的所有构筑策略及在大气环境介质中捕集分离CO₂和去除水环境介质中污染物的应用和优势,并对未来IL/MOF复合材料在环境介质中的应用方面进行了总结和展望。     

NH3/CO2制冷系统的研究

介绍了CO₂作为冷媒的主要特点及其制冷系统形式,论述了NH₃/CO₂制冷技术的研究内容和试验结论,提出了NH₃/CO₂制冷系统的最佳适用范围。通过大量的系统试验数据和分析表明,NH₃/CO₂制冷系统有着极高的运行效率和安全、环保效应。CO₂因其环保和节能的特点在不久的将来将成为最有前景的制冷剂之一。     

Pebax/MIL-100(Cr)混合基质膜的制备及其在CH4/N2分离中的应用

以聚醚嵌段聚酰胺(Pebax)为聚合物基体，以铬基金属有机框架MIL-100(Cr)为填充粒子，采用溶剂挥发法制备了系列Pebax/MIL-100(Cr)混合基质膜，并用于CH₄/N₂分离研究。结果表明，固相法合成的MIL-100(Cr)的BET为1808m²/g,在0.1MPa下对CH₄的吸附量为0.5mmol/g,对N₂的吸附量为0.28mmol/g,说明MIL-100(Cr)对CH₄具有高亲和力。随着MIL-100(Cr)纳米粒子的加入，Pebax/MIL-100(Cr)混合基质膜的CH₄/N₂渗透选择性呈现先增大后减小的趋势，CH₄渗透率基本保持不变；当MIL-100(Cr)添加量为15%(wt,质量分数)时，混合基质膜的CH₄渗透性能保持在20Barrer, CH₄/N₂选择性能达到3.71。     

聚酰亚胺/离子液体共混膜的制备及其CO2/N2分离性能研究

咪唑类离子液体(IL_s)对CO₂具有良好的亲和性和溶解性。离子液体与聚酰亚胺膜材料相结合，可以解决目前CO₂难以分离和回收的问题。选用3种烷基链长度不同的离子液体与聚酰胺酸进行共混，通过高速搅拌器制备出一系列聚酰亚胺/离子液体共混膜，IL_n含量为5%、10%、15%、20%。采用薄膜拉伸强度测试仪和气体透过仪对膜进行了测试。结果表明：离子液体共混的聚酰亚胺薄膜的力学性能相对于纯膜来说均有所提高。当离子液体为IL₂,共混含量为20%时，膜对CO₂的渗透性能最好，为1.5033Barrer,是纯膜的3倍；当离子液体为IL₂,共混含量为15%时，膜对CO₂/CH₄的分离性能最好，为21.7859,约为纯膜的7倍。     

硅化镁还原CO2一步原位合成Si/C复合负极

硅碳(Si/C)负极被认为是高能量密度锂离子电池的首选负极材料,本文提出了一种利用Mg₂Si一步还原CO₂原位制备硅碳复合材料的新方法,研究了Ar∶CO₂混合气体积比和反应温度等关键工艺对Si/C负极材料微结构和电化学性能的影响。研究发现,该方法原位合成的Si/C颗粒尺寸为几百纳米,晶态硅和无定形碳相互交织、分布均匀。当反应温度为700℃、Ar∶CO₂=7∶1时合成的Si/C复合材料作为锂离子电池负极材料时,在0.2 A/g的电流密度下,500个循环后仍有1134 mA·h/g可逆容量。本文利用温室气体CO₂来制备储能用Si/C复合负极材料,既能实现变废为宝,同时该方法合成工艺简便,容易工业化实施,具有商业化开发的潜力。