Page 14 - 《精细化工》2023年第9期

·1862· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 40 卷

超微孔（0.5 nm<孔径<2 nm）、中孔（2<孔径<50 nm） 学者们普遍认为，微孔对于实现低压条件下的二氧
和大孔（孔径>50 nm），按照材料内部孔的结构可分 化碳吸附尤为关键，但是微孔比表面积和孔容积对
为有序孔和无序孔。有序孔材料通常存在于晶体内 选择性吸附的影响则存在争议。制备材料的元素组
部，其孔直径和结构是确定的，如沸石分子筛等； 成和表面官能团均可能对实验结果产生干扰，其他
无序孔材料主要以 ACs 为代表。在吸附过程中，通 阐释的角度有待学者们后期进一步探究。
常需要微孔、中孔和大孔协同合作。微孔相当于核
心“吸附器”，中孔相当于通往“吸附器”的基本通 3 固体吸附材料的表面修饰
道，大孔起到粗大传输通道的作用。
传统的物理吸附材料普遍存在低压、高温条件
研究报道，固体吸附材料的孔隙结构是影响二 下吸附性能较差的问题。为提升此类材料对二氧化
氧化碳吸附性能的主要因素之一 [43] 。SIRIWARDANE 碳的吸附能力，研究人员通常采用杂原子掺杂或负
等 [44] 通过对 4A 型沸石分子筛和 13X 沸石分子筛进
载有机胺等方法进行吸附材料表面修饰，使其表面
行吸附机理研究发现，相对于 CO 2 分子动力学直径
或内部具有亲二氧化碳的吸附点或官能团结构 [22] 。
（孔径约为 0.33 nm）而言，沸石分子筛的孔径越大，
改性后固体吸附材料的吸附原理由单一的物理吸附
吸附能力越高。这是因为，吸附材料的孔径（<0.33 nm）
或以物理吸附为主转变为物理吸附和化学吸附共同
小，与二氧化碳分子之间的阻力较大，会阻碍吸附 发挥作用。表面修饰一方面能够提升材料在低压、
过程的进行。高俊炜等 [45] 通过模拟二氧化碳在 FAU
高温条件下对于二氧化碳的吸附能力，另一方面可
分子筛上的吸附行为证实了上述结论并且发现，在
以提高材料的耐水性，进而提高材料的综合吸附
低分压下，二氧化碳的吸附主要发生在微孔内部； [52]
能力 。
随着压力的提高，二氧化碳的吸附容量迅速上升。 3.1 杂原子掺杂
LIU 等 [46] 阐述了在吸附温度为 273 K 条件下
杂原子掺杂提升二氧化碳吸附性能，一方面是
ACs 的吸附机理。从动力学角度来讲，当 ACs 内部
利用杂原子具有与材料骨架不同的电负性，可以改
的孔径≈0.33 nm（一个二氧化碳分子直径）时，ACs
变材料骨架周围的电子云密度，从而调节二氧化碳
对二氧化碳的吸附机理是微孔填充，主要是范德华
分子与材料表面的相互作用。另一方面是通过引入
力主导的物理吸附过程。在 ACs 表面附近存在一个
碱金属离子等来增加碱基数量，使得二氧化碳的优
位势场，邻近的二氧化碳分子在位势场的作用下发
先吸附位点数量增加。以氮原子掺杂多孔炭材料为
生吸附行为。吸附场的作用力较强，足以在 ACs 表
例，研究人员可以从路易斯酸碱作用、氢键作用和
面形成许多吸附层，用来提升二氧化碳吸附能力。
静电作用等不同的角度来阐述二氧化碳吸附机理 [53] 。
当其孔径>0.33 nm 后，吸附机理为表面覆盖，通过
杂原子掺杂多孔炭材料的示意图如图 6 所示，常用
吸附材料表面的活性位点来吸附二氧化碳。
的掺杂原子有 N、P、S 等。
研究发现，微孔在二氧化碳吸附过程中发挥重
要作用。压力越低，发挥主要吸附作用的微孔孔径
越小 [47-49] ，这是因为微孔数量增多会使吸附力场产
生叠加效应，使得孔内吸附势明显增加，从而提升
对二氧化碳的吸附能力。研究人员普遍认可吸附材
料的吸附性能与孔径密切相关，但比表面积和孔体
积对吸附性能的影响则存在争议 [49] 。在二氧化碳的
选择性吸附能力研究方面，OSCHATZ 等 [50] 认为，
极小的孔隙有助于实现二氧化碳气体的选择性分
离。这归因于 ACs 内部极小的孔隙扮演二氧化碳“分
子筛”的角色。JIN 等 [51] 强调了高极化孔隙表面有
利于选择性捕获二氧化碳。综上所述，吸附材料的
孔隙结构是影响二氧化碳吸附性能的关键因素。
以物理吸附为主的吸附材料主要依靠材料的内
部孔隙结构来实现吸附行为。学者们总结的孔隙结 图 6 杂原子掺杂多孔炭示意图
Fig. 6 Schematic diagram of heteroatom doped porous carbon
构对于吸附性能的影响规律有利于实现新型材料结
构的精准设计和调控，指导新型高效、低成本的吸 魏永栋等 [54] 基于位阻效应机理，采用离子交换
+
附材料的研发制备，该领域的研究具有重大意义。 法处理 4A 沸石分子筛，制备了不同 K 交换率的沸