工业排放是导致气候变化的二氧化碳 (CO2) 的主要来源之一。虽然采用可再生和清洁能源替代品是减轻这些碳排放的一种选择，但碳捕获技术是控制二氧化碳排放的另一种解决方案。在二氧化碳排放大户，如水泥、炼油厂和火电厂，碳捕获技术可以轻松应用于以可行的成本和低能耗直接在源头去除二氧化碳排放。人们已经探索了用于工厂二氧化碳捕获的不同材料，包括沸石、金属有机骨架、天然矿物、碱和碱金属盐。其中，碱金属碳酸盐，如碳酸钠 (Na2CO3)，被认为是有效且廉价的材料，具有稳定的特性和易于采购。
理论上，Na2CO3 具有不错的 CO2 捕获能力，并且可以轻松再生以供后续使用。但是，直接使用 Na2CO3 捕获 CO2 会导致晶体聚集，从而导致效率低下和寿命缩短。使用碳骨架可以消除此问题。具有良好孔隙连通性的多孔碳材料具有低密度、结构稳定性、疏水性和可稳定 Na2CO3 的大表面积。先前的研究报告称，Na2CO3-碳纳米复合材料的 CO2 捕获能力为 5.2 mmol/g。但是，这些研究并未检查碳化温度对材料整体性能的影响。
因此，在 2024 年 6 月 12 日发表在《能源与燃料》上的一项新研究中，千叶大学理学院的 Hirofumi Kanoh 教授和 Bo Zhang 合成了一种混合 CO2 捕获材料，由包裹多孔纳米碳的 Na2CO3 组成。他们进一步评估了其在不同碳化温度下的 CO2 捕获和再生效率。Na2CO3-碳混合物 (NaCH) 是在氮气作为保护气体的情况下，在 873K 至 973K 的温度下对对苯二甲酸二钠进行碳化而得到的。“减少二氧化碳排放是一个紧迫的问题，但对二氧化碳捕获方法和材料系统的研究仍然缺乏。这种 Na2CO3-碳混合系统在我们的初步研究中被证明是有希望的，促使我们进一步探索它，” Kanah 教授说。
研究团队在模拟工厂废气条件的潮湿条件下测量了混合材料的二氧化碳捕获能力。他们发现，在碳化温度接近 913-943 K 时制备的 NaCH 混合物表现出更高的二氧化碳捕获能力。其中，NaCH-923 的二氧化碳捕获能力最高，为 6.25 mmol/g，碳含量超过 40%，这导致表面积更大，使 Na2CO3 在纳米碳表面的分布更均匀。这降低了 Na2CO3 晶体团聚的速度，并加快了反应速度。
在 NaCH-923 有效捕获 CO2 后，科学家们再次在氮气存在下加热所得的 NaCH-923-CO2，以测试其再生性能。他们发现 NaCH-923 可以再生并用于 CO2 捕获 10 个周期，同时保留其初始 CO2 捕获能力的 95% 以上。这些结果表明，NaCH-923 表现出良好的结构强度、耐用性和再生性，这使其成为在潮湿条件下捕获 CO2 的极佳材料。
对NaCH-923-CO2进行进一步实验，发现样品在326−373 K(平均约80 °C)时发生急剧的质量变化。由于火力发电厂的废气温度通常也在这个范围内，因此工厂和发电厂的废热可以很容易地用作再生NaCH-923的热源，从而有效降低能耗。
这些结果表明，碳化温度显著影响 NaCH 混合物的 CO2 捕获性能和碳含量，其中 NaCH-923 表现出最佳特性。NaCH-923 是一种固体吸附剂，可以在环境温度和压力下有效捕获 CO2，对 CO2 具有高选择性，并且不存在目前工业中使用的液体吸附剂存在的设备腐蚀问题。此外，这些特性使其广泛应用于各种配置、环境和各种工业环境中。
“通过将已经具有良好二氧化碳捕获能力的 Na2CO3 转化为纳米复合材料，可以提高反应速率并降低分解和再生温度。这使得工厂废热能够在 80°C 左右进行再生，为我们提供了节能高效的二氧化碳捕获系统，” Kanah 教授总结道。
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