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碳泡沫作为二氧化碳吸附剂的制备

越来越多的公司2是一个全球性的问题,要抓住它,各种CO2吸附剂是必要的。这篇文章着眼于多孔CO的设计2吸附剂程端报道的论文发表在材料。

图片来源:十亿照片/Shutterstock.com

二氧化碳(CO2)是导致全球气候变化的主要原因,导致CO的产生2捕捉技术的发展。许多多孔材料被用作CO2吸附剂(沸石、金属有机骨架(MOFs)、多孔有机聚合物和多孔碳)。多孔的碳也含有优良的CO2它的化学和物理稳定性非常好,因此受到了广泛关注。高有限公司2多孔碳的容量与丰富的微孔体积和杂原子有关。

为了降低吸附剂中的扩散压力,在吸附剂中引入中孔或大孔。通过去除聚合物的内部相,形成聚合物中的大孔结构,从而得到一个开孔互连的多孔聚合物整体。

本文阐述了在方案1中描述的浓乳液开发微孔-大孔碳泡沫(“ACRFs”)的应用。

微孔-大孔泡沫碳(ACRFs)的制备路线。

方案1。微孔-大孔泡沫碳(ACRFs)的制备路线。图片来源:Duan等人,2021年。

研究人员首先用浓缩乳液制备了大孔间苯二酚甲醛树脂(PRFs),然后用氢氧化钾(KOH)作为活化剂对PRFs进行炭化,收集ACRFs。

方法

试剂

制作需要间苯二酚和吐温20,甲醛37 wt%水溶液,无水碳酸钠和KOH,甲苯,甲醇和乙醇。

制备脉冲重复频率

将间苯二酚、甲醛水溶液、无水碳酸钠和去离子水加入到100ml烧瓶中进行预聚合。冷却后,合成的溶液与吐温20混合,同时加入甲苯。一种淡粉色的乳剂形成了,它随后被转移到模具中并固化。在此过程中获得PRFs,同时甲苯液滴留下独特的开孔大孔。

制备ACRF

将PRF整体放入管式炉中加热,然后将预碳化的PRF浸泡在与KOH溶解的水/甲醇溶液中3小时。炭化一小时后,ACRF形成。

描述

研究人员分析了傅里叶变换红外光谱(FT-IR)光谱、x射线光电子能谱(XPS)。扫描电镜观察到PRFs和ACRFs中的大孔。研究人员还测量了N2吸附-解吸等温线、样品比表面积、孔径分布、CO2吸附等温线、拉曼光谱、x射线衍射(XRD)。

结果与讨论

ACRFs的炭化过程

在炭化过程中,KOH作为活化剂在合成碳中产生更多的微孔。但由于水解作用,PRFs中很难加载KOH溶液,因此PRFs首先在低温下炭化,然后生成的大孔碳与KOH水溶液浸渍,在所需的温度下进一步活化。

图1为测定预碳化温度和活化温度的TGA/DTA曲线。

PRF-50C-85%在氮气流量下的TGA和DTG曲线。

图1所示。PRF-50C-85%在氮气流量下的TGA和DTG曲线。图片来源:Duan等人,2021年。

多孔acrf中的氧

利用ACRF-50C-85%-600、ACRF-50C-85%-700和ACRF-50C-85%-800的XPS光谱分析这些碳的表面化学状态(图2),发现acrf是富氧的。

ACRF-50-85%-600 (B)、ACRF-50-85%-700 (C)和ACRF-50-85%-800 (D)的所有acrf的x射线光电子能谱(XPS)光谱和o1s峰的反褶积。

图2。所有acrf (A)的x射线光电子能谱(XPS)光谱和ACRF-50-85%-600 (B)、ACRF-50-85%-700 (C)和ACRF-50-85%-800 (D)的O 1s峰的反褶积。

孔隙度的ACRFs

图3描述了PRFs和acrf的大孔形貌。在PRFs的情况下,多孔材料的扫描电镜显示大量紧密填充的空洞(“空洞”)与相邻的空洞通过小孔隙(“窗口”)相互连接。ACRF-50C-80%-800、ACRF-50C-85%-800和ACRF-40C-85%-800具有相应的PRFs大孔结构。

扫描电子显微镜(SEM)图像的PRFs和相应的acrf。

图3。扫描电子显微镜(SEM)图像的PRFs和相应的acrf。图片来源:Duan等人,2021年。

图4显示了N2对所有ACRFs的吸附-解吸等温线进行了分析,结果表明ACRFs中存在丰富的微孔。

77 K时ACRFs的N2吸附-解吸等温线。

图4。N2ACRFs在77 K时的吸附-解吸等温线。图片来源:Duan等人,2021年。

微孔在所有acrf中占主导地位,且大多为超微孔(尺寸小于0.7 nm)(图5)。

acrf的孔径分布。

图5。acrf的孔径分布。图片来源:Duan等人,2021年。

有限公司21bar时acrf的容量

图6显示了CO2所有acrf的吸附等温线。表1中也列出了相同的内容。

acrf在273 K时的O2容量。

图6。有限公司2acrf在273 K时的容量。图片来源:Duan等人,2021年。

表1。比表面积,孔隙体积,CO2ACRFs的能力。来源:段, 2021年。


泡沫
特定的表面区域12/ g 总孔隙体积2厘米3./ g 微孔体积3.厘米3./ g Ultra-Micropore体积3.厘米3./ g 微孔体积/总孔体积 有限公司2能力4毫克/克
acrf - 600 - 50 c - 85% 879 0.433 0.349 0.333 0.806 214
acrf - 700 - 50 c - 85% 1237 0.558 0.489 0.466 0.876 248
acrf - 800 - 50 c - 85% 1952 0.830 0.742 0.606 0.894 267
acrf - 800 - 50 c - 80% 2024 0.827 0.796 0.657 0.963 269
acrf - 800 - 50 c - 90% 2046 0.900 0.817 0.635 0.908 271
acrf - 800 - 40 c - 85% 1944 0.783 0.737 0.616 0.941 271
acrf - 800 - 30 - c - 85% 1871 0.771 0.713 0.633 0.925 270

1计算BET比表面积在0.01-0.2 P/P压力范围内0值。
2用DFT法计算2 nm以下的累积孔隙体积。
3.用DFT法计算0.7 nm以下的累积孔隙体积。
4测量在273k, 1巴。

图7显示了CO之间的关系2与孔隙度的能力。超微孔的高吸附势可能是决定CO的因素2容量为1巴。

CO2容量与总孔体积(A)、微孔体积(B)和超微孔体积(C)的关系

图7。公司之间的关系2容量和总孔体积(A),微孔体积(B)和超微孔体积(C)。

含氧量对CO的影响2ACRFs能力

氧含量对CO的影响2分析了ACRFs的容量,结果表明,ACRFs中氧的增加改善了碳表面与CO的相互作用2分子。这对acrf捕获CO很重要2在低压力。

大孔隙对CO的影响2acrf的吸附动力学

图8描述了CO2ACRF-30C-85%-800和ACRF-40C-85%-800的吸附动力学。分析还证实了大孔隙对CO的加速作用2吸附动力学。

ACRF-40C-85%-800与ACRF-30C-85%-800 CO2吸附动力学比较。

图8。产地来源证比较2ACRF-40C-85%-800和ACRF-30C-85%-800的吸附动力学。图片来源:Duan等人,2021年。

有限公司2ACRF-40C-85%-800的吸附性能

对CO进行了进一步的分析2ACRF-40C-85%-800的吸附行为。的有限公司2吸附动力学如图9所示。

ACRF-40C-85%-800的CO2吸附动力学。

图9。有限公司2ACRF-40C-85%-800吸附动力学。图片来源:Duan等人,2021年。

CO动力学模型参数如表2所示2吸附。

表2。CO动力学模型参数2吸附。来源:段, 2021年。

样本 符合一级模型 Pseudo-Second-Order模型
acrf - 800 - 40 c - 85% e(毫克/克) 87.8 e(毫克/克) 102
k1(最低-1 0.544 k2(最低-1 0.00655
R2 0.994 R2 0.975

用微孔扩散模型对动力学数据进行了分析。的有限公司2N选择性吸附2用CO2和N2在273k时(图10A)。研究结果表明了竞争吸附机理。结果表明,它们有吸附CO的倾向2/ N2,可选择性捕获CO2/ N2从混合气体供给流。

ACRF-40C-85%-800在273 K (A)下的CO2和N2吸附等温线;ACRF-40C-85-800在298 K (B)下CO2/N2的突破曲线;CO2容量在298 K的ACRF-40C-85%-800循环6次(C)。

图10。有限公司2和N2ACRF-40C-85%-800在273 K (A)下的吸附等温线;一氧化碳突破曲线2/ N2ACRF-40C-85-800在298 K (B);有限公司2ACRF-40C-85%-800在298 K的容量6个循环(C)。图片来源:Duan等人,2021。

ACRF-40C-85%-800的重复性与第一次循环相同,即使在第六次循环后也表现出良好的重复性。

图11显示了CO2吸附热由克劳修斯-克拉珀龙计算。

ACRF-40C-85%-800的CO2吸附等温线(A)和CO2吸附热(B)

图11。有限公司2吸附等温线(A)和CO2ACRF-40C-85%-800的吸附热(B)。图片来源:Duan等人,2021年。

结论

本文提出了一种制备具有大孔和微孔的类块状碳(ACRFs)的方法。微孔是由KOH的活化作用形成的,大孔是由大孔前驱体形成的。

ACRFs中的大孔隙加速了CO的生成2吸附率。acrf也显示中度CO2吸附热和选择性吸附能力。假设acrf具有转化为CO的潜力2综合性能优异的吸附剂。

期刊引用:

段聪,邹伟,杜仲杰,杜仲杰。,Mi, J., Han, J., Zhang, C. (2021) Construction of Oxygen-Rich Carbon Foams for Rapid Carbon Dioxide Capture.材料, 4(1),第173页。doi.org/10.3390/ma14010173

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劳拉·汤姆森

写的

劳拉·汤姆森

劳拉·汤姆森毕业于曼彻斯特城市大学,获得英语和社会学学位。在她的学习期间,劳拉做了一名校对员,并继续做全职工作,直到后来成为一家领先的分析和媒体公司的网站编辑。在她的业余时间,劳拉喜欢阅读一系列的书和写历史小说。她还喜欢看世界上新的地方,很多周末都在照顾狗狗。

引用

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  • 美国心理学协会

    汤姆森,劳拉。(2021年12月14日)。碳泡沫作为二氧化碳吸附剂的制备。AZoCleantech。2022年7月29日从//www.polystomper.com/article.aspx?ArticleID=1344检索到。

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    汤姆森,劳拉。“制作二氧化碳吸附剂泡沫碳”。AZoCleantech.2022年7月29日。< //www.polystomper.com/article.aspx?ArticleID=1344 >。

  • 芝加哥

    汤姆森,劳拉。“制作二氧化碳吸附剂泡沫碳”。AZoCleantech。//www.polystomper.com/article.aspx?ArticleID=1344。(访问2022年7月29日)。

  • 哈佛大学

    汤姆森,劳拉。2021。碳泡沫作为二氧化碳吸附剂的制备.AZoCleantech,查看2022年7月29日,//www.polystomper.com/article.aspx?ArticleID=1344。

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