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[转载]甲壳素基纤维状碳微球用于聚胺化合物负载和CO2高效捕集
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几个世纪以来，包括煤炭、石油和天然气在内的化石燃料一直是人类生产生活的主要能源。化石燃料燃烧产生的CO2直接排放到大气中会引起温室效应，导致全球气候变化，破坏生态平衡。因此，从化石燃料燃烧后的气体中捕集CO2是避免其直接排放的重要手段。目前，燃烧后捕集CO2的方法很多，其中负载胺吸附法备受关注。高效负载胺吸附剂构建的关键在于获得富含介孔且孔容较大的载体。大孔径的介孔有利于胺化合物的分散，大孔容则可确保胺化合物的负载容量。迄今为止，已有多种用于胺化合物负载的载体见诸报道，但如何利用环境友好且低成本的生物质来合成胺化合物载体仍然有待进一步探索。
近期，南昌大学彭海龙副研究员和福州大学黄宽教授合作以环境友好且低成本的甲壳素为原料，合成了一种纤维状碳微球（FCMs）。合成的FCMs具有微球形貌和纤维状亚结构，碳纤维相互交织形成大尺寸的纳米孔隙。碳纤维交织形成纳米孔隙具有较好的柔韧性，使得大量的胺化合物可负载于其中。利用这些特性，将五乙烯六胺（PEHA）物理分散于FCMs的纳米孔隙中，制备得到了PEHA/FCMs吸附剂，并对其CO2捕集性能进行了系统的研究。结果表明，PEHA/FCMs吸附剂对CO2具有很强的吸附能力。在75 ℃下，对10 vol% CO2的吸附容量可达3.90 mmol g-1。此外，PEHA/FCMs吸附剂还具有较好的循环再生性能和优异的CO2/N2选择性吸附能力。文章发表在Green Chemical Engineering (GreenChE), 题为“Chitin-derived fibrous carbon microspheres as support of polyamine for remarkable CO2 capture”。
2. 研究亮点
1．以甲壳素为原料合成了一种纤维状碳微球（FCMs)。
2．碳纤维相互交织形成尽寸大、柔韧性好的纳米孔隙。
3．将PEHA分散于FCMs的纳米孔隙中。
4．PEHA/FCMs吸附剂展现出了优异的CO2捕集性能。
3. 内容概述
该工作以甲壳素为原料，在使用前先进行纯化以除去其中的杂质，目的是为了后续成球的稳定性。然后通过溶胶-凝胶法合成了纤维状甲壳素微球（FChMs），再在管式炉中650 ℃、N2气氛下碳化2 h后得到纤维状碳微球（FCMs）。FCMs的合成过程如图1所示。合成的FCMs具有微球形貌和纤维状亚结构，碳纤维相互交织形成大尺寸的纳米孔隙，其电镜图如图2所示。
图1. FCMs的合成过程示意图。
图2. FCMs的SEM图（a-d）和TEM图（e-h）。
将PEHA通过物理浸渍的方法分散于FCMs的纳米孔隙中，通过改变PEHA和FCMs的质量比制备出了一系列PEHA/FCMs吸附剂，并对其CO2捕集性能进行了系统的研究。首先采用10 vol% 的低浓度CO2进行吸附容量测定，结果如图3所示。与FCMs载体相比，PEHA/FCMs吸附剂的CO2吸附容量显著提升，并且随着胺负载量的增加而增加。这是因为胺化合物能与CO2发生可逆化学反应，为CO2的吸附提供活性位点。0.72PEHA/FCMs样品在75 ℃时的吸附容量是最大的，可达3.90 mmol g-1，优于大部分文献报道的CO2吸附剂。
图3. PEHA/FCMs吸附剂的CO2吸附容量随PEHA负载量的变化（a）；吸附容量随温度的变化（b）。实验条件：10 vol% CO2。
然后考察了PEHA/FCMs吸附剂的长周期循环再生性能，结果如图4所示。0.72PEHA/FCMs样品循环10次后，其CO2吸附容量损失仅为3.2%，循环50次后CO2吸附容量仍有75.9%。0.72PEHA/FCMs样品的长周期循环再生性能要优于大部分文献报道的负载胺吸附剂。
图4. 0.72PEHA/FCMs样品的CO2吸附容量随循环次数的变化（a）；0.72PEHA/FCMs样品的CO2吸附/解吸TG曲线（b）。吸附条件：10 vol% CO2，75 ℃，0.5 h；解吸条件：N2吹扫，75 ℃，0.5 h。
进一步考察了PEHA/FCMs吸附剂对CO2的选择性吸附能力，结果如图5所示。当将0.72PEHA/FCMs样品用于CO2/N2混合气体的穿透吸附时，N2几乎瞬间完全穿透，而CO2约在30 min g-1的时候才开始穿透，表明0.72PEHA/FCMs样品几乎不吸附N2。从0.72PEHA/FCMs样品在75 °C时的纯CO2和N2吸附等温线也可以看出，其对CO2的吸附容量要远高于N2吸附容量。因此，PEHA/FCMs吸附剂具有优异的CO2/N2选择性吸附能力。
图5. 0.72PEHA/FCMs样品在75 ℃条件下的CO2/N2混合气体吸附穿透曲线（总流量为20 mL min−1，CO2浓度为10 vol%）（a）；0.72PEHA/FCMs样品在75 °C时的纯CO2和N2吸附等温线。
4. 总结与展望
该工作以甲壳素为原料，合成了一种纤维状碳微球（FCMs）作为五乙烯六胺（PEHA）的载体。PEHA/FCMs吸附剂展现出了很强的CO2吸附能力，还具有较好的循环再生性能和优异的CO2/N2选择性吸附能力。该工作以环境友好且低成本的生物质为原料来构建胺化合物载体，为绿色二氧化碳捕集材料的设计和开发提供了新的思路。
文章信息 Title: Chitin-derived fibrous carbon microspheres as support of polyamine for remarkable CO2 capture Authors: Wen-Long Xu, Hui-Jie Chen, Yi-Chao Wang, Shuai Liu, Xin-Yi Wan, Hai-Long Peng*, Kuan Huang* https://doi.org/10.1016/j.gce.2022.01.006 扫描二维码阅读全文 作者简介 彭海龙 副研究员 彭海龙，博士，南昌大学副研究员、硕士生导师，江西省杰出青年人才，江西省优秀博士学位论文获得者，江西省药品监督管理局药品化妆品医疗器械科技专家，国家清洁生产审核师，美国阿肯色大学生物与农业工程系博士后两年，获得江西省自然科学二等奖1项。长期从事分子印迹聚合物相关领域研究，主持在研和完成国家自然科学基金项目3项、江西省自然科学基金项目4项。近5年在ACS Nano、Chemical Engineering Journal、Sensor and Actuators B: Chemical、Food Chemistry等国际权威期刊上发表学术论文40余篇。 黄宽 教授 黄宽，博士，福州大学教授、“氨工业催化”研究团队成员，福建省“闽江学者”特聘教授、泉州市“桐江学者”特聘教授，中国化工学会离子液体专业委员会委员。主要从事合成氨分离利用、生物质油加氢转化等方面的研究，主持在研和完成国家自然科学基金项目1项、福建省自然科学基金项目1项。近5年在Advanced Materials、AIChE Journal、Chemical Engineering Science等国际权威期刊上发表学术论文50余篇；申请中国专利16项，授权4项。 期刊简介 Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，目前已被DOAJ和Scopus数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。 竭诚欢迎各位老师同学积极投稿！ E-mail: gce@ipe.ac.cn Tel: 86-10-82544856 Web: http://www.keaipublishing.com/gce
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