研 究 背 景

因化石能源过度开发和利用导致的过量CO₂排放是导致温室效应和极端气候频发的重要原因。在能源体系尚未完全转向清洁能源之前，碳捕集、利用与封存技术仍是缓解电力、钢铁、水泥等行业CO₂排放的关键途径。现有碳捕集方法中，吸附法可利用多孔材料表面特性，通过物理或化学吸附的方式实现CO₂选择性捕集，进而通过变压或变温等方式再生，具有操作条件温和、循环稳定性较好和能耗相对较低等优势。多孔碳材料作为相对成熟的一类吸附剂，具有前驱体来源广泛、制备成本相对低廉、耐湿性和热稳定性较好以及孔道结构可调等特点，在碳捕集领域展现出巨大的应用潜力。然而，多孔碳材料通常具有复杂的多级孔结构和多样化表面官能团，仅依靠定性描述难以准确揭示不同结构对其吸附行为的贡献并指导碳材料设计开发。因此，如何构建可靠的结构参数与吸附性能之间的关联关系，以实现孔结构和表面化学性质的精准调控，是高性能CO₂吸附碳材料设计中的关键难题。

研 究 亮 点

本文围绕多孔碳材料在CO₂捕集领域中孔结构调控与吸附机制开展了系统综述。首先，从前驱体设计、模板法和活化方法等方面梳理孔结构构筑策略，明确不同制备方法对微孔、介孔和多级孔等结构形成以及表面化学性质的影响。其次，重点讨论孔径分布、微孔体积和介孔传质通道以及表面化学基团对CO₂吸附容量及CO₂/N₂选择性的影响规律，强调了超微孔对CO₂选择性吸附的作用机制以及层级孔结构协同效应的重要性。此外，在整合海量文献数据的基础上，通过定量分析和机器学习视角，评估了关键结构特征对吸附性能的贡献，为多孔碳材料的理性设计和可控制备提供了数据支撑和参考。最后，提出了多孔碳材料为满足工业化CO₂捕集领域需求，未来研究可面向精准孔结构工程、适用于多工况的智能吸附剂开发和AI驱动的多孔碳材料设计与合成等方面开展。该成果以“Porous Carbon Materials for Carbon Dioxide Capture”为题发表在Carbon Energy上。

图 文 解 析

图1：（A）多孔碳材料合成过程中的关键参数及CO₂吸附性能评价标准。(B)用于制备多孔碳材料的前驱体分类与比较。(C)多孔碳材料合成与改性的主要方法示意图。(D)碳材料的分类及其主要应用领域。

图2：(A)生物质的结构特征，以及生物质衍生多孔碳材料的制备策略和结构特点。不同形貌的多孔碳材料可继承天然前驱体的结构特征。(B)合成材料衍生多孔碳材料的制备策略和结构特点。(C)多孔碳材料前驱体比较。文献报道部分多孔碳材料中(D)总孔体积与比表面积、(E)介孔体积与微孔体积，以及(F)CO₂/N₂选择性与CO₂吸附量。

图3：(A)物理活化或化学活化诱导孔形成过程示意图。不同化学剂对多孔碳(B)总孔体积、(C)平均孔径、(D)微孔体积和(E)介孔体积和比表面积的影响。

图4：多孔碳孔体积和CO₂吸附量、CO₂/N₂选择性以及CO₂吸附热之间相关性分析。CO₂吸附容量与(D)窄微孔体积、(E)微孔体积和(F)介孔体积之间的相关性分析。(G、H和I)不含氮官能团多孔碳材料CO₂吸附量的二维等高线图以及(J、K和L)孔碳材料CO₂/N₂的IAST选择性二维等高线图。

图5：(A)CO₂吸附量与平均孔径之间的相关性。狭缝孔模型中狭缝尺寸对(B)CO₂吸附量、(C)CO₂吸附热、(D)CO₂吸附填充密度、(E)吸附势能、(F)稳定性以及选择性的影响规律。(G)不同尺寸狭缝下CO₂和N₂在碳质微孔中的吸附热对比。

图6：不同尺寸微孔与CO₂吸附容量相关性分析。温度和压力会显著影响微孔对CO₂吸附容量的贡献。

图7：(A)基于可解释机器学习框架预测生物炭的CO₂吸附容量和选择性。(B)多孔碳迭代闭环设计策略流程图。(C)机器学习辅助多孔碳材料闭环逆向设计示意图。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Porous Carbon Materials for Carbon Dioxide Capture

文章研究方向：

碳捕集— —多孔碳、气体吸附

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70229

DOI: 10.1002/cey2.70229

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy

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