使用氨基酸改性活性炭以增强燃烧后过程中的二氧化碳捕集

燃料燃烧后的空气净化

来自发电厂的二氧化碳是全球变暖的主要驱动因素之一，但我们大部分电力仍来自化石燃料的燃烧。一个切实可行的减排方法是在热排气排入大气之前，从中捕获二氧化碳。本研究探讨了一种常见且相对廉价的材料——活性炭，如何通过用蛋白质的简单构件氨基酸对其表面进行温和涂覆，来提高其捕获 CO2 的能力。

把日常用的碳变成更好的海绵

活性炭已在净水器和空气净化器中应用，因为它充满微小孔隙，像海绵一样吸附分子。用于电厂燃烧后捕集时，理想材料需要即使在 CO2 浓度较低和较高温度下也能保持高吸附量，同时保持稳定并易于重复使用。研究人员以商业活性炭为起点，比较了其天然的 CO2 吸附能力——此处“吸附”指分子附着在表面而非发生化学反应。他们证实，在室温下该材料每克可吸附数毫摩尔的 CO2，但随着气体温度升高，这一容量急剧下降，表明主要是物理吸附而非强化学键合的典型特征。

为二氧化碳增加温和的抓取点

为提升性能，团队采用三种氨基酸对碳表面进行改性：甘氨酸、丝氨酸和赖氨酸。这些都是富含氮的小型有机分子，氮原子已知能与 CO2 有更强的相互作用。活性炭被浸泡在各自的氨基酸溶液中，有时与简单的碱性盐一同使用，然后洗涤并干燥。经处理的样品测试结果显示，涂有甘氨酸和丝氨酸的样品通常比原始材料捕获更多 CO2，而赖氨酸常常使性能变差，尤其在与添加盐共同使用时。甘氨酸表现突出：尽管它是三者中最小的，仍使 CO2 吸附量提高了约 25%，且未牺牲材料吸附氮气（一种烟气背景气体）的能力。

寻找处理条件的最佳点

由于过多的改性剂可能堵塞孔隙，研究人员谨慎地改变处理温度、时间和甘氨酸浓度，并使用统计设计方法分析结果。他们发现一种中等方案——适中的温度、数小时的处理以及中等浓度的甘氨酸——带来了最佳的 CO2 捕集效果。显微镜和气体吸附测量表明，改性后的活性炭保留了几乎相同的比表面积和孔径分布，表明甘氨酸主要是装饰内壁而不是阻塞通道。红外和 X 射线测试确认表面出现了新的含氮和含氧官能团，而基底的碳骨架大体保持不变。

改良材料的行为特性

通过在多种温度下测量 CO2 和氮气在材料上的吸附，团队估算了每种气体吸附时释放的热量。这些数值处于典型的物理相互作用范围，而非不可逆的化学反应，但对甘氨酸处理的活性炭而言明显更强。这意味着 CO2 被更紧密地束缚，解释了吸附量的增加，但仍可以通过适度加热或改变压力将气体释放出来。改性活性炭在高于燃烧后捕集系统通常温度的范围内也表现出良好的热稳定性，表明其可能在多次捕集—释放循环中保持性能。

这对发电厂排放可能意味着什么

通俗地说，这项工作表明，用一种简单氨基酸对活性炭进行轻度装饰，可以将现成的滤料变成对 CO2 更具选择性和更强“吸引力”的材料。甘氨酸提供了最佳的平衡：其小尺寸使其能够在不堵塞孔道的情况下在孔壁上形成额外的抓取点，从而捕获并重复释放更多 CO2 分子。尽管该材料在较低温度下仍表现最佳，但在实际工厂中采用巧妙的热交换策略可以帮助将排气冷却到足以利用这种改进海绵的温度。综合来看，这些发现指向了可负担、可调的吸附剂，能够改造现有设施以帮助减少温室气体排放，而无需彻底改造整个能源系统。

引用: Houshmand, D., Rashidi, F., Amjad-Iranagh, S. et al. Enhancement of CO₂ capture in post combustion process using actived carbon modified by amino acids. Sci Rep 16, 10569 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44400-z

关键词: 碳捕集, 活性炭, 氨基酸, 燃烧后, CO2 吸附