工业化以来，化石燃料的大量使用导致了大气中温室气体含量急剧上升。CO2作为最主要的温室气体之一，它会对环境造成不可逆转的破坏。当前CO2捕获技术是解决CO2减排问题的优先事项之一，也是实现CO2资源化利用的重要措施。
近年来基于吸附技术实现CO2 捕获已获得广泛关注。其中基于固体吸附剂的技术有望取代传统液态吸附剂，因为它们具有成本效益、安全性和环境友好性。其中，由于价格低廉、丰富和可定制的物理/化学特性，活性炭（AC）成为实际工业化应用最具潜力材料之一。截止2017年，工业CO2排放占全球排放量的41%。因此针对烟道气进行CO2捕获，是实现CO2减排的关键技术之一。然而，工业烟气中往往含有大量的水蒸气。当烟气中水蒸气浓度过高，水分子通过竞争吸附会显着降低吸附剂的CO2捕获效率。尽管目前有关AC吸附剂疏水改性已有诸多报道，但仍然存在防潮效果差和孔隙堵塞等问题。因此，迫切需要开发新技术以减少水蒸气对AC吸附性能影响。
近日，东南大学材料科学与工程学院张友法团队，利用疏水性有机框架材料（ZIF-8）原位生长在功能性碳材料，制备的最终产品可用于高湿工况下实现高效CO2捕获。众所周知碳材料表面不能提供足够的活性位点用以生长ZIF-8，这里作者将具有粘附作用和富含活性基团（-OH和-NH-）的聚多巴胺（PDA），作为原始AC和疏水性ZIF-8 之间的“粘合剂”。这里通过协同各个材料优势，获得了具有长期耐久性、高比表面积和疏水性能的AC@ZIF-8复合材料。实验结果证明，该方案极大地提高了AC在高湿度烟气中捕获CO2 的效率。这一方法还广泛适用于其他遭受水蒸气竞争吸附影响的吸附剂，因为PDA 几乎可以粘附在任何固体表面上。相关成果以标题为” Hydrophobic ZIF-8 covered active carbon for CO2 capture from humid gas”发表在期刊《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》。该成果已获得国家发明专利授权。东南大学材料科学与工程学院的博士研究生季延正为本论文第一作者，东南大学材料科学与工程学院的张友法教授和余新泉教授为通讯作者。
图1. AC@ZIF-8复合材料的表征和形貌
AC@ZIF-8复合材料具有显著的粗糙核壳形貌，表征证实了疏水ZIF-8纳米颗粒成生长在活性炭表面。
图2. AC@ZIF-8复合材料的疏水性能及其长效稳定性表征
研究者探究了AC@ZIF-8复合材料的疏水性能及其长效稳定性，结果表明，AC@ZIF-8复合材料疏水效果显著，长时间高湿下暴露也表现出良好的稳定性能。在对比测试中，其疏水性能遥遥领先于初始活性炭材料，并且循环稳定性良好，说明该复合材料在高湿下吸附二氧化碳应用中具有一定潜能。
图3. AC@ZIF-8复合材料的二氧化碳吸附性能及其循环稳定性测试
为了进一步研究AC@ZIF-8复合材料在高湿下吸附二氧化碳中的潜在应用，研究者首先测试了两种初始材料的水和二氧化碳的吸附性能并对比AC@ZIF-8复合材料。结果表明AC@ZIF-8复合材料较好的结合了两种材料的优势，最终循环测试实验再次证明该材料具有应用于高湿下吸附二氧化碳的潜力。
图4. AC@ZIF-8复合材料的二氧化碳吸附性能及其循环稳定性测试
在50%相对湿度下，AC@ZIF-8复合材料吸附性能仅降低16.74%，相较于初始活性炭的61.27%，展现出了高湿度下的吸附稳定性优势。
该项工作证实疏水AC@ZIF-8复合材料是一种非常具有前景的二氧化碳吸附剂材料，尤其是在高湿烟气下。它为开发疏水、长效和高稳定性的固体二氧化碳吸附材料提供了新的策略。
14011002000166号