Подготовка и характеристика недорогих химически активированных углей с использованием H3PO4, ZnCl2 и KOH для приложений по адсорбции CO2

Преобразование древесных отходов в помощников климата

Рост концентрации углекислого газа (CO2) является одним из главных факторов глобального потепления, и большая часть этого газа поступает от электростанций и фабрик, сжигающих ископаемое топливо. Улавливание CO2 до того, как он попадёт в атмосферу, — один из перспективных способов замедлить изменение климата, но существующие методы часто используют дорогостоящие или агрессивные жидкости. В этом исследовании рассматривается более простая идея: преобразовать малоценных персидский железное дерево, распространённое на севере Ирана, в высокопористые материалы, похожие на уголь, которые могут эффективно и дешево задерживать CO2.

От лесного побочного продукта к инженерному углю

Исследователи взяли древесину Parrotia persica, которая обильно растёт в гирканских лесах, но имеет низкую коммерческую ценность. После очистки и измельчения древесину нагревали в бескислородной среде, чтобы получить углеродосодержащий твёрдый остаток, затем обрабатывали тремя разными химикатами: сильной кислотой (фосфорной кислотой), соединением цинка (хлоридом цинка) и сильным основанием (гидроксидом калия). Каждое вещество по‑разному взаимодействует с натуральными полимерами древесины при нагреве, формируя сеть крошечных пор и меняя доступную площадь поверхности для адсорбции газа. Варьируя количество реактива и температуру обжига, они создали серию активированных углей с различной структурой пор.

Проектирование микрокамер для CO2

Почему поры важны? Удержание газа на твёрдых материалах работает потому, что молекулы газа прилипают к поверхностям за счёт слабых электрических взаимодействий. Чем больше внутренняя площадь поверхности и чем более подходящего размера полости в материале, тем больше молекул он способен вместить. Команда измеряла размеры пор и площадь поверхности с помощью азота и микроскопии. Хлорид цинка дал наибольшую площадь поверхности — около 1925 м² на грамм, что сопоставимо с тем, как если бы теннисный корт растянули на кусочек сахара. Фосфорная кислота, однако, создала угли с особенно большим объёмом пор и смесью ультрамелких и слегка более крупных пор, а также много кислородсодержащих поверхностных групп. Эти химические особенности усиливают взаимодействие с CO2, который является слегка полярным и притягивается к полярным или основным центрам на поверхности угля.

Насколько хорошо эти сорбенты улавливают CO2?

Исследователи проверяли поглощение CO2 при давлениях до 14 бар и около комнатной температуры, условиях, похожих на промышленные выхлопные потоки. Во всех образцах наибольшее поглощение CO2 наблюдалось при более низких температурах, что согласуется с физическим «прилипанием»: при нагревании молекулы газа двигаются быстрее и с меньшей вероятностью остаются прикреплёнными. Среди материалов уголь, активированный фосфорной кислотой при наибольшем соотношении реагента (обозначенный ACH3), показал наилучшую ёмкость по CO2 при 1 баре и 25 °C, немного превосходя образец на основе хлорида цинка, несмотря на несколько меньшую площадь поверхности. Это преимущество объясняется большим объёмом пор и более развитой поверхностной химией. Анализ тепла, выделяемого при адсорбции, подтвердил, что CO2 удерживается в основном физическими силами, а не за счёт образования новых химических связей, что важно, поскольку это означает возможность регенерации материала при умеренном нагреве и многократного повторного использования.

Отделение CO2 от обычных компонентов воздуха

Улавливание CO2 из дымовых газов — это не только про объём удержания, но и про то, насколько материал предпочитает CO2 по сравнению с другими газами, такими как азот (N2), который составляет основную часть воздуха. Комбинируя измерения поведения каждого газа на углях с общепринятой предсказательной теорией, команда оценивала селективность материалов при адсорбции CO2 из смеси CO2/N2. Угли, обработанные фосфорной кислотой и хлоридом цинка, продемонстрировали высокую селективность, предпочитая CO2 примерно в 20 раз чаще, чем N2 при атмосферном давлении. Образец на основе гидроксида калия был менее селективен, вероятно, потому, что его сеть пор была более грубо выточена и частично заблокирована, предоставляя меньше идеальных по размеру ячеек для CO2. Важно, что все лучшие образцы сохраняли почти постоянную работоспособность в нескольких циклах адсорбции–десорбции, что указывает на их стойкость при многократном использовании в реальных системах.

Что это значит для будущего улавливания CO2

Для неспециалиста основная мысль проста: малоценных лесной побочный продукт можно превратить в тонко настроенный, губчатый уголь, который эффективно улавливает CO2, сильно предпочитает его по сравнению с азотом и может многократно использоваться. Среди протестированных подходов обработки фосфорной кислотой и цинк-солью персидской железной древесины дали особенно перспективные материалы, сочетая большую площадь поверхности, подходящие размеры пор и благоприятную поверхностную химию. Хотя предсказания поведения смесей газов в работе ещё требуют подтверждения в полномасштабных пропускных испытаниях, исследование показывает, что тщательно спроектированный «уголь» из местной биомассы может стать практичным и недорогим инструментом для сокращения промышленных выбросов парниковых газов.

Цитирование: Bandani, M., Najafi, M., Khalili, S. et al. Preparation and characterization of low-cost chemically activated carbons using H₃PO₄, ZnCl₂ and KOH for CO₂ adsorption applications. Sci Rep 16, 6288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35319-6

Ключевые слова: улавливание углерода, активированный уголь, биомасса, адсорбция CO2, пористые материалы