开发高效、可再生、低成本的CO₂吸附剂对于减缓气候变化和推进可持续能源系统至关重要。本文通过K₂CO₃/KCl熔盐体系的一步碳化-活化工艺，将废弃竹笋壳转化为高性能多孔生物炭。系统研究了K₂CO₃/KCl质量比和活化温度对孔结构、表面化学及CO₂吸附性能的影响。在700°C的优化条件下，所得生物炭在25°C和1 bar下表现出3.59 mmol/g的高CO₂吸附容量以及优异的CO₂/N₂选择性。全面的结构表征和理论计算表明，KCl除了作为共晶组分外，还可能作为有效的孔结构导向剂，与K₂CO₃协同作用，促进形成富含均匀分布氮和含氧官能团的三维分级多孔结构。此外，该吸附剂表现出优异的循环稳定性，在连续30次吸附-解吸循环后仍保持初始CO₂吸附量的94.5%。结构表征揭示，K₂CO₃和KCl的协同效应促进了富含超微孔和杂原子表面基团的分级多孔结构的形成。等温线分析表明，吸附行为更适合用非均质表面模型描述，表明吸附位点具有非均匀的能量分布。结合DFT结果，CO₂捕获机制可归因于超微孔中的物理孔隙填充与氮/含氧官能团处增强的表面相互作用的协同效应。这项工作为熔盐辅助活化提供了机理见解，并为合理设计具有可调孔结构和表面化学性质的生物质衍生多孔碳材料提供了指导。
图解
图 2.样品的扫描电镜图像和粒径分布曲线：(a1, a2, a3) BK3K0C-700，(b1, b2, b3) BK3K1C-700，(c1, c2, c3) BK3K2C-700，(d1, d2, d3) BK3K3C-700，(e1, e2, e3) BK0K3C-700；样品BK3K3C-700的透射电镜图像和扫描电镜-能谱面分布图（f, g, h, i）。
图3.(a) 样品的XPS全谱图，(b) 样品的高分辨C1s谱图，(c) 样品的高分辨N1s谱图，(d) 样品的高分辨O1s谱图。
图4.样品在25°C（a, b）和0°C（c, d）下的吸附等温线模型：(a1, b1, c1, d1) Langmuir模型，(a2, b2, c2, d2) Freundlich模型，(a3, b3, c3, d3) Temkin模型。
图5.(a, b) 掺杂季氮和羧基的生物炭模型及其吸附能，(c, d) 掺杂季氮和羧基的生物炭的静电势分布。
结论
本研究采用K₂CO₃/KCl熔盐活化策略，以废弃竹笋壳为原料成功制备了用于CO₂捕集的多孔生物炭。对比证据强烈表明，KCl在K₂CO₃基活化体系中调控孔隙发育方面发挥着重要作用，促进了具有丰富超微孔和富杂原子表面的分级多孔结构的形成。在优化条件下，样品BK3K3C-700在0°C和25°C（1 bar）下的CO₂吸附容量分别达到5.53 mmol/g和3.59 mmol/g，同时具有良好的CO₂/N₂选择性和30次吸附-解吸循环的良好循环稳定性。吸附等温线拟合表明，吸附过程发生在能量非均质的表面上。结合结构表征和DFT分析，增强的CO₂捕获性能归因于超微孔填充和表面化学相互作用的协同效应。特别是，亚纳米孔为CO₂分子提供了有利的限域环境，而含氮和含氧官能团提高了局部吸附亲和力并有助于非均质吸附行为。这些发现阐明了K₂CO₃/KCl活化体系中的构效关系，并为合理设计生物质衍生多孔碳材料提供了有益的机理指导。
本工作中的吸附测量是在干燥条件下进行的，以评估所制备生物炭的本征CO₂吸附行为和热力学分离潜力。然而，对于实际的燃烧后应用，必须考虑水蒸气和痕量烟气组分（如O₂、SOₓ和NOₓ）的影响，特别是因为超微孔中水的竞争吸附以及与极性表面位点的相互作用可能会改变吸附性能。由于目前仪器的限制，本研究未能完成控湿吸附实验和多组分穿透实验。这些评估将作为未来工作的重点，以进一步评估材料在实际烟气条件下的适用性。
本文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175982
