利用节能的碳酸钠-纳米碳混合材料捕获碳

工业排放是导致气候变化的二氧化碳(CO2)的主要来源之一。虽然采用可再生和清洁能源替代品是减轻这些碳排放的一种选择，但碳捕获技术是控制二氧化碳排放的另一种解决方案。

在二氧化碳排放量大的行业，如水泥、炼油厂和火力发电厂，碳捕获技术可以轻松应用于以可行的成本和低能耗直接在源头去除二氧化碳排放。人们已经探索了用于工厂二氧化碳捕获的不同材料，包括沸石、金属有机骨架、天然矿物、碱和碱金属盐。其中，碱金属碳酸盐，如碳酸钠(Na2CO3)，被认为是有效且廉价的材料，具有稳定的性质和易于采购的特点。

理论上，Na2CO3具有不错的CO2捕获能力，并且可以轻松再生以供后续使用。然而，直接使用Na2CO3捕获CO2会导致晶体聚集，从而导致效率低下和寿命缩短。使用碳骨架作为Na2CO3可以解决此问题。

具有良好孔隙连通性的多孔碳材料具有低密度、结构稳定性、疏水性和可稳定Na2CO3的大表面积。先前的研究报告称，Na2CO3−碳纳米复合材料的CO2捕获能力为5.2mmol/g。然而，这些研究并没有检查碳化温度对材料整体性能的影响。

2024年6月12日，千叶大学理学院的HirofumiKanoh教授和BoZhang在《能源与燃料》上发表的一项研究中，合成了一种由多孔纳米碳包裹的Na2CO3组成的混合CO2捕获材料。

他们进一步评估了在不同碳化温度下其CO2捕获和再生效率。Na2CO3−碳杂化物(NaCH)是在氮气作为保护气的情况下，在873K至973K的温度下通过碳化对苯二甲酸二钠而得到的。

“减少二氧化碳排放是一个紧迫的问题，但对二氧化碳捕获方法和材料系统的研究仍然缺乏。这种Na2CO3-碳混合系统在我们最初的研究中被证明是有前景的，这促使我们进一步探索它，”Kanah教授表示。

研究小组在模拟工厂废气条件的潮湿条件下测量了混合材料的二氧化碳捕获能力。他们发现，在碳化温度接近913–943K时制备的NaCH混合物表现出更高的二氧化碳捕获能力。

其中，NaCH-923的CO2捕获容量最高，为6.25mmol/g，碳含量超过40%，因此具有更大的比表面积，使Na2CO3在纳米碳表面的分布更加均匀，降低了Na2CO3晶体的团聚率，从而加快了反应速度。

在NaCH-923有效捕获CO2后，科学家们再次在氮气存在下加热所得的NaCH-923-CO2，以测试其再生性能。他们发现NaCH-923可以再生并用于CO2捕获10个周期，同时保留其初始CO2捕获能力的95%以上。这些结果表明，NaCH-923表现出良好的结构强度、耐用性和再生性，使其成为在潮湿条件下捕获CO2的极佳材料。

对NaCH-923-CO2进行进一步实验，发现样品在326−373K(平均约80°C)时发生急剧的质量变化。由于火力发电厂的废气温度通常也在这个范围内，因此工厂和发电厂的废热可以很容易地用作再生NaCH-923的热源，从而有效降低能耗。

这些结果表明，碳化温度显著影响NaCH混合物的CO2捕获性能和碳含量，其中NaCH-923表现出最佳特性。NaCH-923是一种固体吸附剂，可在常温常压下高效捕获CO2，​​对CO2具有高选择性，并且不存在目前工业上使用的液体吸附剂存在的设备腐蚀问题。

此外，这些特性使其可广泛应用于各种配置、环境和不同的工业环境中。

“通过将已经具有良好CO2捕获能力的Na2CO3转化为纳米复合材料，可以提高反应速率并降低分解和再生温度。这使得工厂废热能够在80°C左右进行再生，为我们提供了节能高效的CO2捕获系统，”Kanah教授总结道。

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