本發(fā)明屬于吸附劑，具體涉及一種梯度孔道堿基帶電吸附劑及其制備方法和在空氣碳捕集中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、為實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)并有效遏制氣候變化，人類需采取"減排"與"碳移除"并行的雙重路徑。直接空氣捕獲(dac)技術(shù)作為碳移除的重要方案，其核心瓶頸在于吸附劑的性能突破?，F(xiàn)有dac系統(tǒng)主要依賴兩類吸附材料，分別是基于強(qiáng)堿性溶液的化學(xué)吸附劑(如氫氧化鉀)和固體堿性吸附劑(如氫氧化鈣)。這些材料雖然具備co2捕獲能力，但其再生過(guò)程需要900℃以上的高溫處理，導(dǎo)致巨大的能源消耗與運(yùn)營(yíng)成本。而新興的金屬有機(jī)框架材料(mofs)雖將再生溫度降至約100℃，卻面臨材料穩(wěn)定性不足、制備成本高昂等新問(wèn)題。

2、現(xiàn)有吸附劑的高再生能耗和工藝復(fù)雜問(wèn)題限制了dac的大規(guī)模應(yīng)用，因此，需開(kāi)發(fā)低成本、低溫再生、穩(wěn)定性強(qiáng)的新型吸附劑以突破現(xiàn)有dac技術(shù)的瓶頸。研究人員從電池電極充電過(guò)程獲得靈感，通過(guò)電化學(xué)手段在多孔碳材料中引入活性氫氧根離子(oh-)，可以形成一類新型“帶電吸附劑”，其優(yōu)勢(shì)在于利用材料導(dǎo)電性，通過(guò)電阻加熱實(shí)現(xiàn)快速再生(90～100℃)，無(wú)需外部能源或復(fù)雜設(shè)備；可以以廉價(jià)活性炭為原料，通過(guò)電池式充電工藝制備，工藝簡(jiǎn)單且材料易得；oh-能夠與co2形成碳酸鹽/碳酸氫鹽，顯著提升低壓(接近大氣濃度)下的co2捕獲能力。

3、但是，上述帶電吸附劑仍然存在一些問(wèn)題，如對(duì)濕度極為敏感，在高濕度環(huán)境中，水分子占據(jù)親水孔隙，從而削弱co2吸附容量；以及其容量在當(dāng)前dac系統(tǒng)條件下受到限制，僅為0.14–0.2mmol/g，低于部分金屬有機(jī)框架材料，需要進(jìn)一步的優(yōu)化，從而限制了帶電吸附劑的大規(guī)模應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種梯度孔道堿基帶電吸附劑及其制備方法和在空氣碳捕集中的應(yīng)用，解決了現(xiàn)有技術(shù)低co2濃度下的吸附效率受限，穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：提供一種梯度孔道堿基帶電吸附劑的制備方法，包括以下步驟：

3、s1：將含活性炭前驅(qū)體、造孔劑和粘接劑分散于水中，得復(fù)合漿料一；

4、s2：利用3d打印技術(shù)對(duì)復(fù)合漿料一進(jìn)行打印，得預(yù)制體；

5、s3：在空氣氛圍下對(duì)預(yù)制體進(jìn)行預(yù)氧化；

6、s4：在惰性氣氛下對(duì)預(yù)氧化后的預(yù)制體進(jìn)行碳化，得分形通道活性炭粉末；

7、s5：將分形通道活性炭粉末在950℃，co2氛圍下保溫1～2h，隨后再與koh以1:2的質(zhì)量比在850℃，氮?dú)夥諊卤?～2h，得粗產(chǎn)物；

8、s6：將粗產(chǎn)物與聚四氟乙烯的混合物與乙醇以料液比1g:3ml混合，得復(fù)合漿料二，然后將復(fù)合漿料二塑型為0.2～0.3mm的薄膜，并將薄膜在100℃下真空干燥24h后，切分得活性炭電極片；

9、s7：在koh電解液中，將活性炭電極片作為正極，施加相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極+0.565v的電位，持續(xù)4h，即得梯度孔道堿基帶電吸附劑。

10、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的方法創(chuàng)新性地融合了3d打印的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與活化法的介微觀造孔機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了孔隙的跨尺度協(xié)同調(diào)控，成功實(shí)現(xiàn)大孔(＞50nm)、介孔(2～50nm)和微孔(＜2nm)的跨尺度貫通網(wǎng)絡(luò)，其中大孔通過(guò)精確的路徑設(shè)計(jì)直接成型，介孔由造孔劑分解與koh刻蝕雙重作用生成，微孔來(lái)源于活化過(guò)程對(duì)碳基體的選擇性蝕刻，三者的跨尺度貫通網(wǎng)絡(luò)使比表面積突破2500m2/g，再通過(guò)電化學(xué)極化實(shí)現(xiàn)oh-的錨定，使制得的梯度孔道堿基帶電吸附劑吸附量較傳統(tǒng)帶電吸附劑提升200％以上。

11、在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

12、進(jìn)一步，活性炭前驅(qū)體為木質(zhì)素與聚丙烯腈按質(zhì)量比6:4混合得到，造孔劑為nh4hco3與聚乙二醇按質(zhì)量比3:1復(fù)配得到，粘接劑為聚乙烯醇，活性炭前驅(qū)體、造孔劑和粘接劑的質(zhì)量比為60～80:10～15:3～8。

13、進(jìn)一步，復(fù)合漿料一中固含量為30～50wt％。

14、采用進(jìn)一步技術(shù)方案的技術(shù)效果是：木質(zhì)素的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)為微孔形成提供前驅(qū)單元，聚丙烯腈的高碳收率保障骨架強(qiáng)度，nh4hco3在200℃熱分解生成co2/nh3氣泡構(gòu)造介孔，而聚乙二醇分解殘留形成2～5nm孔隙，聚乙烯醇生成的氫鍵網(wǎng)絡(luò)使?jié){料在10～50pa·s(25℃)呈現(xiàn)剪切稀化特性，滿足3d打印要求。

15、進(jìn)一步，3d打印技術(shù)的工藝參數(shù)為：噴嘴直徑300μm，層高為噴嘴直徑的70～90％，打印路徑為交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格間距為噴嘴直徑的120～180％。

16、采用進(jìn)一步技術(shù)方案的技術(shù)效果是：該配置可保證70％孔隙率的同時(shí)，使壓縮強(qiáng)度達(dá)到8～12mpa，得到＞50nm的大孔結(jié)構(gòu)。

17、進(jìn)一步，預(yù)氧化為以2℃/min的升溫速率將溫度升至200～300℃并保溫3h。

18、進(jìn)一步，碳化為以5℃/min的升溫速率將溫度升至800～900℃并保溫2h。

19、進(jìn)一步，粗產(chǎn)物與聚四氟乙烯混合物中粗產(chǎn)物與聚四氟乙烯的質(zhì)量比為95:5。

20、采用進(jìn)一步技術(shù)方案的技術(shù)效果是：通過(guò)雙重活化工藝實(shí)現(xiàn)的分形結(jié)構(gòu)中梯度孔道可大幅增加活性位點(diǎn)密度，再通過(guò)電化學(xué)極化實(shí)現(xiàn)oh-的錨定，使充入的oh-量大幅提升，讓最終得到的梯度孔道堿基帶電吸附劑性能大幅提升。

21、本發(fā)明還提供了梯度孔道堿基帶電吸附劑的制備方法制得的梯度孔道堿基帶電吸附劑。

22、本發(fā)明還提供了梯度孔道堿基帶電吸附劑在空氣碳捕集中的應(yīng)用。

23、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的梯度孔道堿基帶電吸附劑成功實(shí)現(xiàn)大孔(＞50nm)、介孔(2～50nm)和微孔(＜2nm)的跨尺度貫通網(wǎng)絡(luò)，在低co2濃度下co2吸附量(20℃/400ppm)達(dá)0.5mmol/g，顯著優(yōu)于常規(guī)活性炭(約0.05mmol/g)和常規(guī)帶電吸附劑(小于0.3mmol/g)的吸附性能，而且吸附-脫附循環(huán)100次后容量保持率≥95％，其優(yōu)異的性能可以讓其在dac上大規(guī)模應(yīng)用，所以該梯度孔道堿基帶電吸附劑具備優(yōu)異的工業(yè)前景。

技術(shù)特征：

1.一種梯度孔道堿基帶電吸附劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度孔道堿基帶電吸附劑的制備方法，其特征在于：所述活性炭前驅(qū)體為木質(zhì)素與聚丙烯腈按質(zhì)量比6:4混合得到，所述造孔劑為nh4hco3與聚乙二醇按質(zhì)量比3:1復(fù)配得到，所述粘接劑為聚乙烯醇，活性炭前驅(qū)體、造孔劑和粘接劑的質(zhì)量比為60～80:10～15:3～8。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度孔道堿基帶電吸附劑的制備方法，其特征在于：所述復(fù)合漿料一中固含量為30～50wt％。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度孔道堿基帶電吸附劑的制備方法，其特征在于，所述3d打印技術(shù)的工藝參數(shù)為：噴嘴直徑300μm，層高為噴嘴直徑的70～90％，打印路徑為交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格間距為噴嘴直徑的120～180％。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度孔道堿基帶電吸附劑的制備方法，其特征在于：所述預(yù)氧化為以2℃/min的升溫速率將溫度升至200～300℃并保溫3h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度孔道堿基帶電吸附劑的制備方法，其特征在于：所述碳化為以5℃/min的升溫速率將溫度升至800～900℃并保溫2h。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度孔道堿基帶電吸附劑的制備方法，其特征在于：所述粗產(chǎn)物與聚四氟乙烯的混合物中粗產(chǎn)物與聚四氟乙烯的質(zhì)量比為95:5。

8.權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)所述的梯度孔道堿基帶電吸附劑的制備方法制得的梯度孔道堿基帶電吸附劑。

9.權(quán)利要求8所述的梯度孔道梯度孔道堿基帶電吸附劑在空氣碳捕集中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種梯度孔道堿基帶電吸附劑及其制備方法和在空氣碳捕集中的應(yīng)用，屬于吸附劑技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供的制備方法通過(guò)融合擠出式3D打印的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與化學(xué)活化法的微觀孔隙調(diào)控機(jī)制，成功實(shí)現(xiàn)了大孔、介孔和微孔的梯度孔道分布，三者形成貫通式分級(jí)網(wǎng)絡(luò)使堿基帶電吸附劑的比表面積達(dá)2850m<supgt;2</supgt;/g，充入的OH?量大幅提升，CO<subgt;2</subgt;吸附量較傳統(tǒng)帶電吸附劑大幅提升，而且具有的高穩(wěn)定性能讓其在高濕度、低CO<subgt;2</subgt;的環(huán)境中工作，所以本發(fā)明提供的梯度孔道堿基帶電吸附劑具有優(yōu)異的工業(yè)前景。

技術(shù)研發(fā)人員：王曉君,李旭,郭宏杰,周玲,朱嘉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8