使用 H3PO4、ZnCl2 和 KOH 制备与表征低成本化学活化碳用于 CO2 吸附的研究

把废弃木材变成气候帮手

不断上升的二氧化碳 (CO2) 水平是全球变暖的主要推动力之一，而大量 CO2 来自燃烧化石燃料的发电厂和工厂。在排放到大气之前捕获 CO2 是减缓气候变化的一种有前景的方式，但现有方法常使用昂贵或腐蚀性的液体。本文研究了一种更简单的思路：将北伊朗常见但价值不高的波斯铁木转化为高度多孔的类炭材料，从而以低成本高效率地捕获 CO2。

从林业副产品到工程化炭材料

研究人员以 Parrotia persica（波斯铁木）为原料，这种木材在希尔卡尼亚森林大量生长但商业价值低。在清理并粉碎木材后，他们在无氧条件下加热将其碳化为富碳固体，然后用三种不同的化学试剂处理：强酸（磷酸）、锌盐（氯化锌）和强碱（氢氧化钾）。每种化学试剂在热处理过程中与木材的天然聚合物发生不同的作用，刻蚀出微小孔隙网络并调控可用于气体吸附的表面积。通过改变试剂用量和热处理温度，他们制备出一系列具有不同孔结构的活性炭。

为 CO2 设计微小腔体

为什么孔隙重要？固体材料吸附气体是因为气体分子通过弱的电性相互作用附着在表面上。材料的内部表面积越大、孔隙尺寸越合适，能够容纳的分子就越多。团队用氮气吸附和显微镜测定了孔径和表面积。氯化锌处理得到的样品表现出最高的比表面积——约 1925 平方米/克，相当于把一片网球场摊在一颗糖块上。磷酸处理的碳则展现出特别大的孔体积，并在超小孔与略大孔之间具有混合分布，同时表面含有大量含氧官能团。这些化学特性增强了与 CO2 的相互作用，因为 CO2 略带电不均性，容易被碳表面带极性或碱性位点所吸引。

这些吸附剂捕 CO2 的表现如何？

研究人员在接近常温、压力高达 14 巴的条件下测试了 CO2 的吸附量，这些条件与工业烟气流相似。所有样品在较低温度下的 CO2 吸附量最大，这与物理“粘附”过程一致：随着气体分子升温，运动加快，越不易保持吸附状态。在这些材料中，磷酸活化且处理比率最高的样品（标记为 ACH3）在 1 巴、25 °C 条件下显示出最佳的 CO2 容量，略优于氯化锌样品，尽管其比表面积略低。其优势来自更大的孔体积和更丰富的表面化学。对吸附放热的分析证实，CO2 主要由物理作用力吸附而非形成新化学键，这一点很关键，因为它意味着材料可以通过适度加热再生并多次重复使用。

从普通空气成分中分离 CO2

从烟气中捕获 CO2 不仅关乎吸附量，还关乎材料对 CO2 相对于其他气体（如占空气大部分的氮气 N2）的选择性。通过将单一气体在这些炭上的行为测量与成熟的预测理论相结合，团队估算了材料在 CO2/N2 混合气中的吸附选择性。磷酸和氯化锌活化的炭在常压下对 CO2 相对于 N2 的选择性都很强，约为 20 倍左右。而以氢氧化钾为活化剂的样品选择性较低，可能是因为其孔网被更粗糙地刻蚀并部分堵塞，缺乏为 CO2 提供理想“巢位”的孔道。值得注意的是，表现最好的这些炭在多次吸附—解吸循环中性能几乎保持不变，表明它们在实际系统中可承受重复使用。

这对未来 CO2 捕集意味着什么

对非专业读者来说，结论很直观：一种低价值的林业副产品可以升级为精细调控的海绵状炭材料，既能高效捕获 CO2，又对 CO2 相对于氮气具有明显偏好，并且可多次再生使用。在所测试的方法中，波斯铁木经磷酸与锌盐处理后得到的材料尤其有前景，它们在高比表面积、合适的孔径分布与有利的表面化学之间达到了较好平衡。尽管对混合气体性能的预测仍需在全尺度流动测试中验证，这项工作表明，用当地生物质精心制备的“木炭”有望成为降低工业温室气体排放的实用、低成本工具。

引用: 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

关键词: 碳捕集, 活性炭, 生物质, CO2 吸附, 多孔材料