碱/碱土金属修饰Ni基催化剂的CO2吸附与甲烷化性能

采用分步浸渍法制备了碱/碱土金属修饰Ni基催化剂Ni-M/Al₂O₃ (M=K₂CO₃, Na₂CO₃, MgO, CaO)。探究了碱/碱土金属的添加对改性Ni基催化剂CO₂吸附和甲烷化性能的影响。研究发现,碱/碱土金属的添加提高了Ni/Al₂O₃催化剂表面的碱性活性位点密度,强化了其CO₂吸附性能。碱/碱土金属类型影响Ni-M/Al₂O₃催化剂碱性活性位点的分布、NiO物相的转化及Ni的分散度,进而影响其甲烷化性能。MgO添加使NiO物相转化为与载体呈强相互作用的β型和γ型NiO,降低了催化剂表面的强碱性活性位点比例,有利于CO₂吸附活化。Ni-MgO/Al₂O₃的CO₂吸附容量最高为0.68mmolCO₂/g,其CO₂转化率和CH₄选择性分别高达58.4%和95.4%,其在烟气CO₂捕集与原位甲烷化中极具应用前景。     

金属有机骨架材料在CO2/CH4吸附分离中的研究进展

CO₂/CH₄分离能耗高是生物甲烷过程核心难题之一。金属有机骨架材料（metal organic frameworks,MOFs）由于其优异的CO₂吸附分离性能,被视为最具潜力的CO₂分离捕集材料,近年来引起了广泛的关注。本文结合沼气的特点和MOFs研究的最新进展,对MOFs材料在CO₂/CH₄吸附分离过程的相关实验研究工作进行了综述。     

用于CO2/CH4分离的cPIM-1/ZIF-8混合基质膜的制备

自聚微孔聚合物（PIM-1）虽具有良好的CO₂渗透性能,但其气体选择性普遍较差,限制其在CO₂/CH₄分离领域的应用。本文以N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂制备ZIF-8纳米粒子,将其引入到羧基化的PIM-1基质中,制备了cPIM-1/ZIF-8混合基质膜,用于CO₂/CH₄分离。结果表明：由于合成ZIF-8的溶剂也是cPIM-1的良溶剂,使得两者之间具有良好的界面相容性,从而使ZIF-8添加量高达质量分数45%。随着ZIF-8添加量的增加,膜的CO₂渗透速率持续增加,CO₂/CH₄选择性呈现先上升后下降的趋势。当ZIF-8添加量为质量分数25%时,膜的CO₂/CH₄分离性能最好,即CO₂渗透系数为3942 Barrer,CO₂/CH₄选择性为18.7,较cPIM-1纯膜分别提高了 84%和43%,成功地超越了Robeson分离上限。     

卤素负载锌-腺嘌呤骨架材料的构建及无助剂催化CO2环加成反应

富氮型金属有机骨架材料（MOFs）具有良好的CO₂捕集性能,但其CO₂催化性能常需添加带氢键或亲核基团的助催化剂。以硝酸锌-腺嘌呤-异烟酸［Zn（NO₃）₂-Ad-Int-DMF］构建稳健的骨架材料,发现其催化合成碳酸丙烯酯（PC）收率不足2%;尝试选型锌盐前体引入亲核卤素,在DMF溶剂中部分卤代锌盐不能络合结晶成MOFs,而形成的ZnI₂-Ad-Int-DMF收率提升至19.5%;溶剂由DMF调变为H₂O-DMF混合溶剂,H₂O的引入避免了卤素对金属和配体间络合的影响,使得以ZnCl₂、ZnBr₂和ZnI₂为前体均能晶化成MOFs,其热分解起始温度（Tonset,434℃）明显高于ZnI₂-Ad-Int-DMF（280℃）,而比表面积（<14 m²/g）明显小于后者（571 m²/g）,造成活性低于后者。通过CO₂吸附脉冲和UV-Vis漫反射推测I^-由于与Zn碱位的相互作用而均匀吸附于骨架上。进而,在无助剂、无溶剂工况下对CO₂环加成反应进行活性评价。温度升高显著提升PC产率,140℃下ZnI₂-Ad-Int-DMF催化产率可达98.5%,但由于吸附在骨架上的卤素在高温、溶剂环境下会脱落,造成重复性实验中活性下降,而该类MOFs在反应前后骨架保持稳定,未造成坍塌或明显孔堵塞现象。后续如能强化卤素的吸附或温和化反应条件,则具有良好的应用潜力。     

一维直孔道MOFs对CH4/N2和CO2/CH4的分离

非常规天然气未来可以作为常规天然气的有效补充,其中低浓度煤层气和生物质燃气分别需要脱除大量的N₂ 和CO₂以达到富集和纯化CH₄的目的。本研究针对CH₄/N₂这一对较难分离的气体组合,选取了具有一维菱形孔道的MOFs材料Cu(INA)₂作为吸附剂,将合成的样品做了XRD和TG表征,测试了纯气体CO₂、CH₄和N₂的吸附曲线,利用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)分子模拟和理想吸附溶液理论(IAST)计算了气体的吸附热和该材料对于CH₄/N₂和CO₂/CH₄的吸附选择性系数;3 MPa压力下制备的颗粒样品填装吸附分离装置,进行了混合气体CH₄/N₂ (50%/50%)和CO₂/CH₄ (50%/50%)的穿透试验,分离的结果显示,Cu(INA)₂不仅高选择性地吸附CH₄/N₂混合物中的CH₄(S_CH4/N2=10),而且对CH₄/N₂的分离效果优于CO₂/CH₄。     

还原温度对熔盐修饰Ni/MgO双功能材料CO2吸附-甲烷化一体化性能的影响机制

CO₂捕集-转化一体化是实现烟气CO₂减排和洁净能源高效存储的重要策略，也是加速实现碳中和的关键负碳排放技术，而兼具高CO₂吸附容量和催化活性的双功能材料构筑是关键。基于碱金属熔盐修饰Ni/MgO双功能材料CO₂吸附-甲烷化的技术路径备受关注。碱金属熔盐的稳定性和Ni活性组分的还原是提升熔盐修饰Ni/MgO双功能材料CO₂吸附-甲烷化性能的关键。构筑了NaNO₃修饰Ni/MgO一体化双功能材料，考察了还原温度对其CO₂吸附-甲烷化一体化性能的影响规律。结果表明，双功能材料中的碱金属熔盐在低温条件下(～300℃)可促进CO₂和MgO溶解扩散，提升CO₂吸附性能，而较高的温度(>340℃)导致CO₂和MgO溶解扩散受阻，熔盐组分迁移覆盖活性位点，致使材料攒聚烧结和熔盐分解，造成其吸附性能衰减。还原温度提高有利于NiO还原，可提高CH₄产量、CO<...     

面向生物甲烷分离的不同金属配位金属-有机骨架材料的分子设计

采用巨正则Monte Carlo法（GCMC）,对CH₄ /CO₂混合气体体系基于金属-有机骨架材料（MOFs）的吸附分离进行了模拟研究。吸附分离材料涉及3个系列（M-MOF-74、M-MIL-53和[M（atz）（bdc）_0.5]）（M=Mg,Co,Ni,Zn,Al,Cr）不同金属配位的8种MOF材料。研究表明,Mg-MOF-74的CO₂吸附性能在高压下优于其他材料;在低压时,拥有大量氨基官能团的[Zn（atz）（bdc）_0.5]和[Co（atz）（bdc）_0.5]材料有更高效的CO₂分离性能。通过径向分布函数和CO₂吸附构型快照重叠图进一步分析发现,各个系列材料不同金属配位对CO₂吸附构型的影响造成了材料吸附分离性能有较大的不同。研究结果能够为实验上设计和开发新型高效CO₂和CH₄吸附分离MOFs材料提供启发。     

葡萄糖基多孔碳材料对CO2/CH4的分离性能

以淀粉糖（主要成分为葡萄糖）为碳前体,制备了一系列多孔碳材料（C-GLCs-800）,对其进行孔隙结构分析,并应用FT-IR、SEM、TGA对其进行了表征,测定了材料在288、298和308 K下的CO₂和CH₄吸附等温线,根据IAST理论预测了材料对CO₂/CH₄二元体系的吸附选择性。实验结果显示,活化条件对材料的孔隙结构有明显影响,随着KOH/C质量比的增加,所制备的C-GLCs-800比表面积和总孔容先增加后降低。其中C-GLC-800-4的BET比表面积高达3153 m²·g^-1,总孔容为2.056 cm³·g^-1。C-GLC-800-2的窄微孔（V_d<1 nm,孔容0.3538 cm³·g^-1）含量最高,为30.63%。C-GLC-800-2在298 K和10⁵ Pa下对CO₂吸附量高达3.96 mmol·g^-1,明显高于许多传统吸附材料和MOFs材料在相同条件下对CO₂的吸附容量。应用Clausiuse-Clapeyron方程计算了CO₂和CH₄在材料上的吸附热,应用IAST理论计算了CO₂/CH₄的吸附选择性,结果显示C-GLC-800-2对CO₂/CH₄的吸附选择性为8.35。     

镍源对Ni/Al2O3结构及其1,4-丁炔二醇加氢催化性能构效关系的影响

本文通过溶液燃烧法,分别以Ni(CH₃COO)₂·4H₂O、Ni(NO₃)₂·6H₂O、NiCl₂·6H₂O和NiSO₄·6H₂O为镍源制备系列Ni/Al₂O₃催化剂,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、N₂吸附-脱附、程序升温还原(H₂-TPR)等表征手段,进一步揭示了镍源对合成Ni/Al₂O₃催化剂结构与其催化加氢性能间的构效关系的影响,结果表明,以Ni(CH₃COO)₂·4H₂O为镍源制备的Ni/Al₂O₃催化剂比表面积最大,达到225m²·g^-1,最大孔容0.39c...     

聚乙烯胺/Cu3（BTC）2-MMT-NH2混合基质膜的制备及气体传递性能

采用阳离子交换与Cu₃(BTC)₂原位合成相结合制备Cu₃(BTC)₂-MMT,同时,借助3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)氨基功能化制备Cu₃(BTC)₂-MMT-NH₂杂化材料。然后,将杂化材料添加到聚乙烯胺(PVAm)基质中作为选择性涂层涂覆到聚砜(PSf)支撑体上,制备了PVAm/Cu₃(BTC)₂-MMT-NH₂混合基质膜。通过XRD和FTIR对杂化材料的晶态结构和化学结构进行了表征,同时采用ATR-FTIR证实了Cu₃(BTC)₂-MMT-NH₂杂化材料与PVAm基质之间存在氢键相互作用。系统性研究了PVAm/Cu₃(BTC)₂-MMT-NH₂混合基质膜中MMT阳离子交换量、Cu₃(BTC)₂-MMT与KH550的质量比、Cu₃(BTC)₂-MMT-NH₂的负载量、操作压力、湿膜厚度、操作温度以及混合气作为原料气对膜CO₂渗透性、CO₂/N₂选择性的影响。结果表明：在纯气气氛,操作温度为25℃、操作压力为1 bar(1 bar=0.1 MPa)的条件下,当Cu₃(BTC)₂-MMT-NH₂负载量为3%(质量)时,膜的气体分离性能最优,CO₂渗透率为203 GPU(1GPU=10^-6 cm³·cm^-2·s^-1·cmHg^-1,1 cmHg=1333.22 Pa),CO₂/N₂选择性为100.7,远高于添加MMT、Cu₃(BTC)₂和MMT/Cu₃(BTC)₂混合物的混合基质膜。这是由于Cu₃(BTC)₂-MMT-NH₂具有层间快速传递通道且与聚合物基质有良好的相容性。此外,混合气测试条件下,混合基质膜运行360 h,仍能保持优异的CO₂分离性能稳定性。     

聚乙烯胺/Cu3（BTC）2-MMT-NH2混合基质膜的制备及气体传递性能

采用阳离子交换与Cu₃(BTC)₂原位合成相结合制备Cu₃(BTC)₂-MMT,同时,借助3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)氨基功能化制备Cu₃(BTC)₂-MMT-NH₂杂化材料。然后,将杂化材料添加到聚乙烯胺(PVAm)基质中作为选择性涂层涂覆到聚砜(PSf)支撑体上,制备了PVAm/Cu₃(BTC)₂-MMT-NH₂混合基质膜。通过XRD和FTIR对杂化材料的晶态结构和化学结构进行了表征,同时采用ATR-FTIR证实了Cu₃(BTC)₂-MMT-NH₂杂化材料与PVAm基质之间存在氢键相互作用。系统性研究了PVAm/Cu₃(BTC)₂-MMT-NH₂混合基质膜中MMT阳离子交换量、Cu₃(BTC)₂-MMT与KH550的质量比、Cu₃(BTC)₂-MMT-NH₂的负载量、操作压力、湿膜厚度、操作温度以及混合气作为原料气对膜CO₂渗透性、CO₂/N₂选择性的影响。结果表明：在纯气气氛,操作温度为25℃、操作压力为1 bar(1 bar=0.1 MPa)的条件下,当Cu₃(BTC)₂-MMT-NH₂负载量为3%(质量)时,膜的气体分离性能最优,CO₂渗透率为203 GPU(1GPU=10^-6 cm³·cm^-2·s^-1·cmHg^-1,1 cmHg=1333.22 Pa),CO₂/N₂选择性为100.7,远高于添加MMT、Cu₃(BTC)₂和MMT/Cu₃(BTC)₂混合物的混合基质膜。这是由于Cu₃(BTC)₂-MMT-NH₂具有层间快速传递通道且与聚合物基质有良好的相容性。此外,混合气测试条件下,混合基质膜运行360 h,仍能保持优异的CO₂分离性能稳定性。     

生物模板法制备SAPO-34分子筛及其对CO2/CH4吸附分离性能的研究

采用生物质模板（茶花粉）掺杂制备SAPO-34分子筛,研究了SAPO-34分子筛对CO₂和CH₄的静态吸附性能,同时考察了水热晶化时间、硅铝摩尔比（SiO₂/Al₂O₃摩尔比）和有机模板剂对茶花粉掺杂合成SAPO-34分子筛的影响。结果表明,茶花粉的加入可以制备性能良好的SAPO-34分子筛并降低其尺寸在1～2μm之间;晶化时间（24～36 h）的延长有利于分子筛结晶;当硅铝比为0.6、有机模板剂摩尔比为2时,SAPO-34分子筛的晶化效果最佳。茶花粉清液合成的SAPO-34分子筛在静态吸附实验压力为100 kPa时,CO₂和CH₄的总吸附量分别为2.92 mmol/g和0.58 mmol/g, CO₂/CH₄的理想分离系数为5.05。     

硅铝比和金属离子对ZSM-5吸附CO2/N2的Monte Carlo模拟的影响

通过调节硅铝比和引入金属离子构建了Si₉₆O₁₉₂、NaAlSi₉₅O₁₉₂、Na₂Al₂Si₉₄O₁₉₂、Li₂Al₂Si₉₄O₁₉₂、K₂Al₂Si₉₄O₁₉₂分子筛模型,并用MonteCarlo模拟CO₂和N₂吸附。结果表明,硅铝比降低和金属离子量增加可提供更多的吸附位点,CO₂吸附量逐渐增加,CO₂/N₂选择性显著提高。CO₂吸附位点主要集中在Na⁺附近和孔道中。在低压力下,分子筛吸附量主要由不同金属离子与CO₂分子之间的相互作用决定;随着压力增加,吸附量由分...     

基于Langmuir-Hinshelwood动力学解析O2/CO2/H2O气氛下烟煤焦反应机理

流化床富氧燃烧湿烟气循环兼具经济与环保优势。湿烟气循环（O₂/CO₂/H₂O）条件下煤焦与O₂、CO₂及H₂O的反应同时发生。为探究O₂/CO₂/H₂O气氛下煤焦-O₂、煤焦-CO₂、煤焦-H₂O反应间的相互作用机制,在自制高精度热重实验装置上系统考察了O₂、CO₂、H₂O及其混合气氛下,典型烟煤焦在900℃的反应特性。基于吸附和脱附原理的Langmuir-Hinshelwood（L-H）机理性模型分别计算了烟煤焦与O₂、CO₂和H₂O反应的动力学参数。通过采用单独活性位点与竞争活性位点两种假设分析了O₂/CO₂、O₂/H₂O和CO₂/H₂O气氛下烟煤焦-O₂、烟煤焦-CO₂和烟煤焦-H₂O两两反应间的作用机制,揭示了H₂O分子优先吸附于烟煤焦表面活性位点,O₂分子次之,而CO₂分子相对滞后。O₂/CO₂/H₂O气氛下烟煤焦-O₂、烟煤焦-CO₂、烟煤焦-H₂O反应表现出部分竞争反应活性位点,传统的单独活性位点与竞争活性位点假设均无法准确描述其反应速率特性。基于H₂O分子优先,O₂分子次优先吸附的原理,建立了O₂、CO₂、H₂O混合气氛下煤焦反应速率L-H动力学方程,方程计算结果与实验值良好吻合。研究结果为深入分析煤焦颗粒流化床富氧燃烧特性及构建可靠、准确的燃烧反应模型提供了理论支撑。     

温控构筑仿生契合辨识机制强化合成气提纯

开发物理吸附驱动的功能化多孔晶态材料用于粗合成气中CO₂杂质深度去除是生产高质量合成气的重要途径。尽管金属有机框架材料(metal organic framework,MOFs)在CO₂捕获方面取得了诸多突破，但在面临痕量CO₂捕集和非室温CO₂/CO提纯方面常有吸附量下降和产品纯度低等关键问题。基于此，本文以经典的Mg-MOF-74(1a)为研究对象，通过温和的蒸汽配位策略可将氨基吡嗪基元(apz)成功地限域在1a孔道中(1a-apz)。结果表明，1a-apz对1/99的CO₂/CO混合组分有突出的分离性能，且在348K工况温度下，CO产品纯度和产率分别为99.99%和70.5L/kg。粗合成气H₂/N₂/CH₄/CO/CO₂(体积比46/18.3/2.4/32.3/1)穿透实验证实1a-apz仍保持突出的痕量CO₂捕集性能。原位气体负载晶态衍射、变温光谱测试、原位高...     

吸附储层中CO2封存与强化采气研究展望

介绍了吸附储层中CO₂封存与强化采气的研究进展。分析了煤层气/页岩气等吸附储层的典型特点,论述了CO₂、CH₄及其与煤岩/页岩体间的相互作用特征,探讨了吸附储层中封存CO₂的前景与优势、CO₂封存与强化CH₄解吸动力学过程的模拟思路、CO₂地下封存的评价方法,展望了未来的研究发展方向。     

电催化还原CO2研究进展

用于还原二氧化碳(CO₂)获得低碳燃料,包括CO,HCOOH/HCOO^-,CH₂O,CH₄,H₂C₂O₄/HC₂O^-₄,C₂H₄,CH₃OH,CH₃CH₂OH等的电催化剂的最新进展。电催化剂主要分为金属、金属合金、金属氧化物、金属络合物、聚合物/簇、酶和有机分子等。主要分析了实现高活性和高稳定性电催化还原CO₂所面临的挑战,并提出了几个实际应用的研究方向,旨在克服出现的挑战,促进该领域的研究和开发。     

淀粉基多孔碳材料的制备及其吸附CO2/CH4性能

以淀粉为原料,使用水热法将其碳化后用活化剂KOH对其活化,制备了淀粉基多孔碳材料,并对其进行结构表征和CO₂/CH₄的吸附性能测试,计算吸附热以及材料对CO₂/CH₄的吸附选择性,讨论了碳材料结构对其吸附性能的影响。结果表明：在制备过程中,随着活化剂KOH用量比例的增大,所制得的材料其比表面积和孔容增大,其孔径分布也就越宽。所制得的碳材料其比表面积可达2972 m²·g^-1。这些淀粉基多孔碳材料对水蒸气的吸附等温线呈现出Ⅳ类等温线。所制备材料对CO₂吸附容量主要取决于其孔径小于0.8 nm的累积孔容（Vd < 0.8 nm）。材料的超微孔的孔容越大,其对CO₂吸附容量也越大。所制备的C-KOH-1材料在101325 Pa和298 K条件下,对CO₂的吸附量达到4.2 mmol·g^-1,其对CO₂的吸附热明显高于其对CH₄吸附热,其对CO₂/CH₄吸附选择性为3.7～4.26,同时本文通过对材料的水蒸气吸附等温线进行测试,结果表明所得材料主要表现为中等憎水性,这对材料在实际工况的应用奠定了基础。     

二维NiFe-Nx-C催化剂的制备及电催化二氧化碳还原性能研究

为降低碳基催化剂Ni-N位点上CO₂的活化能垒,并解决Fe-N位点上的CO中毒问题,以NaCl为模板,采用限制溶剂生长和热解法合成了具有NiFe-N_x双活性位点的超薄二维碳基催化剂(ZNF-900)。结果显示：ZNF-900具有超高的电催化CO₂还原生成CO的选择性(FE_CO>97%)和电流密度(j_CO=37.3 mA·cm^-2)。通过XPS、Raman等表征和EIS、Tafel斜率等电化学分析方法,证明Ni和Fe之间存在协同促进作用,从而促进了催化剂表面CO₂分子的吸附和CO产物的脱附。     

MER型沸石吸附分离CO2/CH4的分子模拟

MER型沸石在吸附分离CO₂/CH₄方面展现出良好的工业应用前景,受到广泛关注,但还缺乏理论基础数据。本文采用巨正则蒙特卡洛（GCMC）模拟方法,以全硅MER型沸石作为对照,模拟分析了CO₂/CH₄在Na⁺、K⁺、Cs⁺和Ca²⁺交换的MER型沸石中的吸附分离行为。结果表明：不同阳离子交换的MER型沸石对CO₂和CH₄的吸附符合Langmuir-Freundlich吸附等温线模型,平衡吸附量的大小顺序为：Ca-MER＞Na-MER＞K-MER＞Cs-MER,与沸石的自由体积和比表面积大小顺序一致,且近似成线性关系,选用高价阳离子MER型沸石可以提高吸附量;CO₂和CH₄主要分布在沸石的pau笼中,在d8R笼和ste笼中也有少量分布;骨架外阳离子与CO₂的强吸附作用和独特的八元环窗口孔径是MER型沸石对CO₂/CH₄混合组分表现出超高吸附选择性的原因,吸附选择性高达1000以上。综合吸附量、吸附热和吸附选择性分析指出,Na-MER和K-MER型沸石是优良的CO₂吸附剂。本研究为MER型沸石吸附分离CO₂/CH₄提供了理论依据和实验指导。