Page 11 - 《精细化工》2023年第9期
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第 9 期 慕佳琪，等: 应用于烟气中 CO 2 捕集的固体吸附材料研究进展 ·1859·
1 固体吸附材料 载有机胺等 [18] 。
1.1.2 活性炭（ACs）
固体吸附材料按照发挥吸附作用的原理不同， 活性炭通常是由含碳量较高的碳前驱体材料通
可分为物理吸附材料和化学吸附材料。综合评价吸 过高温炭化和活化两个阶段得到的孔隙结构发达、
附材料的二氧化碳吸附性能的指标有吸附容量、吸 比表面积较大且物理化学性质稳定的多孔炭材料。
附速率、CO 2 分离选择性（CO 2 选择性吸附能力） 它的吸附机理主要依靠丰富孔隙结构内部的范德华
耐水性、再生性以及能耗。物理吸附材料主要依靠 力作用。
范德华力进行吸附，化学吸附材料则主要依靠吸附 ACs 具有以下几个优点：再生能力和耐化学性
材料与二氧化碳之间形成稳定的化学键来实现对二 强、耐水性和热稳定性好、易于制备和调控结构、
氧化碳的吸附。相较于物理吸附材料的吸附热（8~ 成本和再生所需的能耗较低 。部分活性炭制备过
[2]
25 kJ/mol），化学吸附材料的吸附热（40~200 kJ/mol） 程对炭化温度要求过高，导致制备过程能耗偏大 [19] 。
较大，能耗较高。在吸附速率和再生性方面，物理 来源广泛的生物质材料作为活性炭的前驱体材料，
吸附材料的性能均优于化学吸附材料，但化学吸附 不仅能够降低吸附材料制备的能耗和成本，还可以
材料的 CO 2 分离选择性高于物理吸附材料 [11] 。在吸 很好地实现废物资源化，符合碳捕集技术对于更加
附容量和耐水性方面，物理吸附和化学吸附材料的 经济和环保的吸附材料的需求。生物质活性炭
表现良莠不齐，文献中未给出明确的对比结果。 （BACs）凭借来源广、成本低和天然疏水性等特点
在气体吸附领域，常用的物理吸附材料有沸石 引起了广大科研工作者的研究兴趣。
分子筛、MOFs 和 ACs 等，化学吸附材料有金属氧 1.1.3 金属-有机框架材料（MOFs）
化物等 [14] 。本章化学吸附材料以金属氧化物为代表 MOFs 是一类通过强配位键由有机配体与金属
进行介绍。 离子或金属簇自组装而形成的一种新型多孔材料，
1.1 物理吸附材料 其合成步骤示意图如图 3 所示。MOFs 最大特点是
1.1.1 沸石分子筛 结构可调控、易修饰，具有超大的比表面积、超高
沸石分子筛主要成分为结晶硅铝酸盐，它们具 的孔隙率以及有序的孔道结构 [20-21] 。MOFs 对气体
有 0.5~1.2 nm 的均匀孔径，内部具有用于捕获气体 的吸附主要靠两点，自身丰富的微孔结构产生的吸
分子的互连通道和笼网。其凭借比表面积大、孔径 附势作用和二氧化碳与 MOFs 表面通过特殊化学键
可调且含有大量微孔的结构特点被应用于气体吸附 形成的静电作用。MOFs 具有多种结构，如 MIL-系
的固体材料研究 [15-16] 。沸石分子筛主要通过位阻作 列、CID-系列、Amino-MIL 系列、ZIF-系列、M-MOF-
用和静电吸附作用实现对二氧化碳的选择性吸附 [17] 。 系列、Bio-MOF-系列和 CAU-系列等 [22] 。其中，
根据硅铝比和晶体类型的不同，沸石分子筛分为 A、 M-MOF-74（M 为 Mg、Zn、Co、Ni 等）凭借不饱
X、Y 型等，A 型沸石分子筛具有正立方体晶格结构， 和的金属位点易被修饰的特点而被广泛研究。
X、Y 型沸石分子筛均为六方晶系，它们的结构示
意图如图 2 所示。
图 3 MOFs 材料合成步骤示意图
Fig. 3 Schematic diagram of MOFs material synthesis steps
表 4 列出了沸石分子筛、ACs 和 MOFs 的吸附
图 2 沸石分子筛 A 型（a）和 X、Y 型（b）结构示意图 容量对比。可以看出，MOFs 作为固体吸附领域新
Fig. 2 Structural diagram of zeolite molecular sieve type A
(a), X and Y(b) 兴的吸附材料，在高压条件下的吸附性能优于沸石
分子筛和活性炭等材料，但其在低压条件下的吸附
低压条件下，沸石分子筛的吸附容量较低；水 表现一般。除此之外，合成工艺复杂，成本高以及
蒸气存在条件下，其耐水性较差；再生过程中能耗 对水蒸气较为敏感的劣势导致其应用受到一定的限
较高 [2,8] ，以上问题制约了沸石分子筛在电厂烟气中 制 [23] 。为拓宽 MOFs 的应用范围，提升其在低压条
的应用。为优化沸石分子筛的吸附性能，研究人员 件下的吸附性能，常采用引入特殊金属离子和胺基
对其进行功能化处理，主要方法有阳离子交换和负 功能化两种途径对其改性。
