论文标题：Core-membrane microstructured amine-modified mesoporous biochar templated via ZnCl2/KCl for CO₂ capture

期刊：Frontiers in Energy

作者：Chen Zhang, Duoyong Zhang, Xinqi Zhang, Yongqiang Tian, Liwei Wang

发表时间：15 Dec 2024

DOI：10.1007/s11708-024-0964-2

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Frontiers in Energy发表文章“Core-membrane microstructured amine-modified mesoporous biochar templated via ZnCl₂/KCl for CO₂ capture”，该成果被美国科学促进会（AAAS）主办的全球科技新闻服务平台（EurekAlert！）进行了报道。查看详情请识别下方二维码：

文章内容

在应对气候变化的挑战中，降低二氧化碳（CO₂）排放始终是一项艰巨的任务。上海交通大学王丽伟教授团队开发出一种新型生物炭材料——核-膜微结构胺改性的介孔生物炭。这种创新材料凭借其独特的结构和优异的性能，为高效捕集二氧化碳提供了一种极具潜力的解决方案，有望在未来的碳减排领域发挥重要作用。这项研究成果发表于《Frontiers in Energy》期刊。

该文章介绍了一种新颖的制备方法，该方法涉及使用双盐模板ZnCl2和KCl对生物质进行碳化。该过程随后在真空条件下进行湿浸渍，以创建PEI集成的基础支架，从而得到核-膜微结构胺改性MC。对所得材料进行全面表征，包括表面特性、多孔形态、热稳定性、相组成和功能组。表征之后，系统地检查和评估核-膜微结构胺改性MC的吸附性能。

结果表明，PEI改性生物炭，特别是PEI-600@MC，表现出优异的CO₂吸附能力，在70°C和1bar时达到约3.35mmol/g，同时胺效率为0.32mmolCO₂/mmol N。这标志着与生物质衍生的MC相比有了显着的增强，强调了胺功能的关键作用基团在增加吸附能力方面具有重要的意义。此外，据观察，PEI-600具有较少的氧化失活功能团，在极低压力下表现出更大的吸附能力，尽管与PEI-1800和PEI-10000相比，其热稳定性较差。此外，随着PEI的温度和平均分子量的增加，吸附滞后环的尺寸减小。PEI@MC吸附剂的平衡吸附等温线可以通过Langmuir 模型有效而准确地描述，该模型显示在70°C时最大吸附能力约为3.53 mmol/g，具有超过0.9999的特殊回归相关系数。 利用双盐模板化的生物质衍生的MC为通过PEI构建核-膜微结构以捕获CO₂提供了一种有希望的途径，利用明确的介孔结构和微环境。通过浸渍PEI，特别是平均分子量较小的PEI，可以显著提高CO₂吸附性能。这些发现强调了核-膜微结构双盐模板化MC作为CO₂捕获应用的有效吸附剂的潜力。该领域的进一步研究和开发有望推动碳捕获领域的发展并解决与温室气体排放相关的环境挑战。

文章信息

Core-membrane microstructured amine-modified mesoporous biochar templated via ZnCl₂/KCl for CO₂ capture

Chen Zhang, Duoyong Zhang, Xinqi Zhang, Yongqiang Tian, Liwei Wang

Abstract:

Mesoporous biochar (MC) derived from biomass is synthesized using a dual-salt template method involving ZnCl₂ and KCl, followed by impregnation with polyethyleneimine (PEI) of varying average molecular weights under vacuum conditions to construct a core-membrane structure for enhancing carbon capture performance. The resulting MC exhibits a highly intricate network of micropores and abundant mesopores, along with defects in graphitic structures, effectively facilitating robust PEI loading. Among the PEI-modified samples, PEI-600@MC demonstrates the highest CO₂ sorption capacity, achieving approximately 3.35 mmol/g at 0.1 MPa and 70 °C, with an amine efficiency of 0.32 mmol CO₂/mmol N. The introduction of amine functional groups in PEI significantly enhances the sorption capacity compared to bare MC. Additionally, PEI with lower average molecular weights exhibits a superior sorption performance at low pressures but shows a reduced thermal stability compared to higher molecular weight counterparts. The area of sorption hysteresis loops gradually decreases with increasing temperature and average molecular weight of PEI. The equilibrium sorption isotherms are accurately modeled by the Langmuir equation, revealing a maximum sorption capacity of approximately 3.53 mmol/g at 70 °C and saturation pressure. This work highlights the potential of dual-salts templated biomass-derived MC, modified with PEI, as an effective, widely available, and cost-efficient material for CO₂ capture.

Cite this article:

Chen Zhang, Duoyong Zhang, Xinqi Zhang, Yongqiang Tian, Liwei Wang. Core-membrane microstructured amine-modified mesoporous biochar templated via ZnCl₂/KCl for CO₂ capture. Front. Energy, 2024, 18(6): 863–874 https://doi.org/10.1007/s11708-024-0964-2

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通讯作者简介

王丽伟，教授，研究方向有氨储存与利用，热驱动能源转换循环，碳捕集，液流电池。2021.6-至今，上海交通大学教学发展中心主任；2019.6-至今，上海交通大学机械与动力工程学院特聘教授；2017.9-2021.6，上海交通大学/机械与动力工程学院/副院长；2013.1-至今，上海交通大学/机械动力工程学院/制冷与低温工程研究所,教授，博士生导师；2011-2012.12，上海交通大学/机械动力工程学院/制冷与低温工程研究所，副教授，博士生导师；2010.12-2011.12，Newcastle University, UK, EU Marie Curie International Incoming Fellow（欧盟居里夫人奖学金引进研究员）；2010.2-2010.12,University of Warwick, UK, Research fellow for Royal Society International Incoming Fellowship（英国皇家学会奖学金引进研究员）；2008.11-2009.2，University of Warwick, UK, Visiting Academic（访问学者）；2007-2010，上海交通大学/机械动力工程学院/制冷与低温工程研究所,副教授；2005-2007，上海交通大学/机械动力工程学院/制冷与低温工程研究所,讲师。任Energy Storage and Saving国际杂志编委；Journal of Thermal Science国际杂志编委；Heat Transfer Research国际杂志副编辑；International Journal of Thermofluids国际杂志副主编；国际会议委员会成员：RAAR-2016 International Conference on Recent Advancement in Air-conditioning and Refrigeration, 10-12 November, 2016, CVRCE, Bhubaneswar, India.；世界可再生能源大会（World Renewable Energy Congress）委员会成员。发表了70篇代表性论文专著及16篇代表性专利。是国家自然科学基金优秀青年基金项目以及教育部新世纪人才计划获得者，曾获中国青年科技奖、国家自然科学二等奖、国家百篇优秀博士论文、国际制冷学会优秀青年学者奖、上海市自然科学一等奖、英国皇家学会引入研究员奖学金、欧盟居里夫人引入研究员奖学金等。

期刊简介

Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

Frontiers in Energy已被SCIE、Ei Compendex、CAS、Scopus、INSPEC、Google Scholar、CSCD(中国科学引文数据库)、中国科技核心期刊等数据库收录。2024年海内外下载量为110余万，截至2025年03月10日，即时Impact Factor为6.0,即时CiteScore为6.8。

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