多孔碳結構調控及其在二氧化碳吸附領域的應用

王 秀， 郝 健， 郭慶杰

(省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點實驗室，寧夏 銀川 750021)

0 引 言

近年來，CO2的排放量增加，造成如海平面上升、海洋風暴、全球變暖、氣候反常、土地沙漠化等[1]。2020年全球空氣中CO2濃度達410×10-6[2]。我國CO2排放量中，42%來源于電力行業燃煤。燃煤在我國未來幾十年占主導地位，因此CO2持續排放將是嚴峻的挑戰。目前調節CO2排放最可行的方案是CO2捕集與儲存技術，燃煤電廠煙道氣中CO2捕集常用方式有吸附法、膜分離法、吸收法和低溫液化分離法[3]。吸附法因具有操作簡便、能耗低、易于實際應用等優勢而受到廣泛關注。

目前，沸石、金屬有機骨架化合物和炭基吸附材料是常見的CO2吸附材料[4]。其中多孔碳作為吸附材料廣泛應用于空氣凈化、冰箱異味去除、色素吸附等領域。近年來，多孔碳因其原料種類多且廉價、制備工藝簡單、吸附能力強、化學性穩定和循環穩定性高等優點[5]受到科研人員的廣泛關注[6-7]。使用多孔碳作為吸附劑，CO2吸附主要分為物理吸附和化學吸附，物理吸附可通過調控多孔碳孔隙結構和豐富比表面積來增加吸附位點；化學吸附可改變表面化學性質使表面基團與CO2發生化學反應。在選擇制備方法時，可選擇物理和化學方法同時進行來增加CO2的物理吸附位點和化學吸附位點，從而提升CO2吸附性能(CO2吸附量、循環穩定性和選擇性)。

本文從多孔碳制備方法、孔徑結構調控及表面化學性質改性等方面綜述了多孔碳制備工藝對材料吸附性能的影響。介紹了多孔碳的制備方法以及孔容、孔徑、比表面積等對多孔碳CO2吸附性能的影響。圍繞改變材料表面性質對CO2吸附性能的影響，綜述了單原子摻雜(N、S、B單原子摻雜)以及多原子共摻雜和表面官能團改性(胺改性和表面酸堿改性)對多孔碳CO2吸附性能的影響。重點討論了較適用于傳統煙道氣CO2捕集的含氮官能團多孔碳的制備，表面化學性質調控對多孔碳CO2吸附性能的影響，歸納了多孔碳吸附在實際應用中亟需解決的問題及其發展趨勢。

1 孔徑結構調控方法對CO2吸附性能影響

1.1 物理活化法

物理活化法將前驅體炭化后，在973～1 273 ℃下用氧化氣體(水蒸氣、O2、CO2等)進行活化。CO2和氧氣活化的反應為

(1)

(2)

(3)

(4)

反應過程中，碳材料活性位點上的碳原子被刻蝕，形成大量孔隙結構，采用物理活化法可提高比表面積和孔容。活化溫度和活化時間是影響材料孔結構的主要因素，活化溫度過高或活化時間過長使部分微孔坍塌，造成微孔孔體積和總比表面積下降，不利于CO2吸附。Ello等[8]采用了CO2活化椰子殼制備多孔碳，比表面積和微孔體積相對于未活化時提高1倍，比表面積從686 m2/g增至1 327 m2/g，微孔體積提高0.31 cm3/g。同時研究發現可通過調節CO2活化時間調控微孔體積大小(圖1)，未活化的多孔碳吸附量較低，在活化3.5 h時比表面積和孔體積達到最大，此時CO2吸附量在0 ℃和25 ℃時可達5.6 mmol/g和3.9 mmol/g，活化4.5 h后CO2吸附量由于吸附位點減少而下降。

圖1 0 ℃時基于椰子殼制備的多孔碳CO2吸附量[8]

采用物理活化法制備的多孔碳比表面積和微孔孔容明顯提高，CO2吸附容量由于吸附位點的增加而增多，且物理活化過程中只涉及到蒸汽、CO2、空氣等活化氣體，無化學試劑的使用，后續不需進行殘留化學試劑的處理，綠色環保。但活化過程需在高溫下長時間加熱，部分碳原子反應生成CO和CO2，得到的多孔碳產率低，吸附能力小，所需水蒸氣多。

1.2 化學活化法

化學活化法是使用化學試劑(KOH、ZnCl2、H3PO4、H2SO4)為活化劑對前驅體直接進行活化，活化劑的加入方式、活化劑與原料的比例、活化溫度和活化時間對活性炭孔結構皆有影響，可使用一種活化劑通過活化條件調控材料結構，也可使用多種活化劑協同調控材料孔隙結構。

2020年，Zhang等[9]采用ZnCl2和FeCl3兩種活化劑，水熱碳化預處理制備多孔碳。2011年，Sevilla等[10]采用KOH活化法，制備了CO2吸附容量高達3.97 mmol/g的多孔碳，其微孔孔徑小于1 nm。2013年，Wickramaratne等[11]使用KOH活化法制備了微孔徑0.8 nm的多孔碳球。以KOH為活化劑進行活化時，前驅體中部分碳與KOH反應被刻蝕，后經多次酸洗，洗掉生成的鹽和剩余的KOH可得到孔隙發達的活性炭。發生的主要反應為

(5)

(6)

(7)

2017年，魏建文[12]以蔗渣為原料，以ZnCl2為活化劑制備活性炭AC，以KOH為活化劑進行二次活化制備活性炭KAC，二次活化后的多孔碳CO2吸附量可達3.45 mmol/g，吸附量遠高于使用化學活化法一次活化所制備的多孔碳，且二次活化后的多孔碳經過5次吸附-脫附后，吸附量無明顯變化，材料具有良好的循環穩定性。2019年，Sreńscek-Nazzal等[13]以KOH和K2CO3為改性劑，改性用于水處理的3種商業活性炭FPV、WG-12、CWZ-22，研究表明，CO2吸附量與小于0.8 nm的亞微孔孔徑密切相關。使用KOH改性的FPV活性炭在0 ℃、0.1 MPa時CO2吸附量為3.67 mmol/g，3.5 MPa時CO2吸附量為16.29 mmol/g，主要是0.3～0.8 nm孔徑的微孔起重要作用。2020年，郝健等[14]以寧夏羊腸灣煤為原料，采用KOH活化法制備多孔碳PC，其比表面積高達3 253 m2/g，在25 ℃、0.1 MPa下CO2吸附量為2.4 mmol/g。

使用化學試劑為活化劑進行活化時，可制備出相較于物理活化法更高的比表面積和微孔率的多孔碳，相對物理活化法，化學活化法操作簡單，只需一步活化即可制備活性炭，活性炭比表面積高達3 000 m2/g，但需使用強酸或強堿，造成污染。

1.3 炭氣凝膠法

前驅體經過炭化得到水凝膠后，用超臨界干燥法或冷凍干燥法得到氣凝膠。炭氣凝膠以中孔炭居多，具有三維網狀結構，密度低，孔隙率高，比表面積達400～1 100 m2/g[15]。前驅體和催化劑的選擇以及摩爾比均影響孔結構。由高溫炭化得到的炭氣凝膠熱穩定性高，因此可在2 200 ℃的惰性氣體或真空條件下使用，也可在強酸強堿的環境中使用[16]。

葉莎[17]采用浸漬法制備炭凝膠，發現中大孔炭凝膠的CO2吸附量較大，約在45 mg/g，而大孔炭凝膠的CO2吸附量相對較小，為18 mg/g。Hao等[18]等采用溶膠-凝膠法，利用聚乙烯亞胺(PEI)交聯纖維素凝膠制備多孔氣凝膠，其經10次吸附-解吸吸附量可維持在93%。Wang等[19]采用溶膠-凝膠法，制備了聚乙烯亞胺交聯纖維素氣凝膠吸附劑，流程如圖2所示。氮含量為17.4%時，多孔氣凝膠的比表面積未因PEI的負載而堵塞。該氣凝膠在25 ℃下對CO2的吸附能力達2.31 mmol/g，10次吸附-脫附后仍具有較高活性。

圖2 多孔PCC氣凝膠的合成示意[19]

炭凝膠法獲得的多孔碳孔隙發達，熱穩定性好，可在高溫或強酸堿條件下使用，但使用炭氣凝膠法制備多孔碳時需干燥，干燥過程中凝膠易老化、破裂和變形，制備工藝條件較為嚴格。

1.4 模板法

模板法根據內部空間限制可分為硬模板法和軟模板法。硬模板法合成多孔碳，制作有形貌的模板后，將有機碳源填入模板中充分混合，最后使用溶劑將模板溶解。軟模板法選擇可煅燒的物質作為模板，首先將碳源和活性劑溶于有機溶劑，其次將碳源和活性劑自組裝在軟模板上，最后采用煅燒方法將模板分離。

軟模板法和硬模板制備的模板碳含有大量2～10 nm的介孔，在H2儲存和CO2吸附等分子應用中存在明顯劣勢。使用后化學活化法可豐富微孔，提高CO2吸附性能。Marta Sevilla等[20]對采用KOH后活化對CMK-3和CMK-8兩種模板碳活化，CMK-8模板碳孔結構中不存在微孔，在使用KOH活化后有大量微孔形成，且隨著KOH占比增大而增多，微孔的比表面積高達2 220 m2/g。模板碳活化后的孔結構主要由本身的介孔和KOH活化形成的微孔組成。堿碳比為2∶1時，700 ℃碳化制備的模板碳提高了微孔數量，CO2吸附量增加，且CO2/N2吸附選擇性為6.5，吸附脫附循環6次后吸附性能仍保持良好。金振宇[21]以氮聚合物席夫堿為碳源，硬模板為中孔氧化硅，通過納米鑄型法制備得富氮多級孔材料，發現CO2的飽和吸附量為2.86 mmol/g，CO2/N2分離比為7.0。

模板法具有試驗裝置簡單、操作容易、形態可控、適用面廣等優點，但模板法局限于需大量溶劑將模板溶解，成本高，工藝復雜。

1.5 聚合物共混法

聚合物共混法需選擇2種熱穩性不同的聚合物，作為炭前驅體的聚合物(酚醛樹脂、糠醇樹脂、聚丙烯腈等)有較大的收率，而作為造孔劑的聚合物(聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛等)在高溫下易分解。進行熱處理時，熱穩性較弱的聚合物以氣態形式全部逸出，熱穩性較強的聚合物上會形成大量孔結構。聚合物的選擇和聚合物混合方式對孔結構均有影響。聚合物的混合包括不相溶混合、部分混合和可混合3種[22]。2種聚合物應具有較好的相容性，其相容性可通過后處理改善。通常使用物理混合法、化學混合法和物理化學混合法進行后處理，物理混合法難以混合均勻，無法進行孔結構調控，通常使用化學混合法和物理化學混合法。

孔隙結構是影響多孔碳CO2物理吸附的主要因素。由于CO2動態直徑為0.33 nm，微孔可提供更多物理吸附位點，更有利于CO2吸附。研究發現小于1 nm，尤其是孔徑集中在0.3～0.8 nm的微孔，在CO2吸附時貢獻更大。但CO2的吸附容量與材料的比表面積無線性關系。微孔過多會阻礙CO2擴散，降低微孔活性位點的利用率。此外，孔間的連通性也會影響CO2的擴散及吸附。介孔和大孔可在吸附過程中提供傳輸通道，一定數量介孔的存在更利于吸附。因此，制備具有大孔-介孔-微孔的分級孔結構碳材料可提升多孔碳的吸附性能。目前通過調節物理活化法和化學活化法的活化溫度和時間可實現材料比表面積、微孔體積增大，但目前未實現多孔碳孔徑結構的精準調控。炭氣凝膠法和模板法對于調控微孔的效果優于物理活化法和化學活化法，但制備過程復雜，需使用有毒化學試劑，不適于大規模生產。同時，由于目前對多孔碳微孔、中孔孔結構的配比與CO2吸附性能間關系研究仍不夠深入，開發高效的以物理吸附為主的CO2多孔碳吸附劑仍面臨很多挑戰。探究CO2在多孔碳中的擴散性質，并結合多種方法制備分級孔結構的碳材料對實現高效CO2吸附劑的開發與制備具有重要作用。

2 材料表面性質對CO2吸附性能的影響

使用不同方法可調控多孔碳比表面積、微孔體積和孔徑分布，其中比表面積和孔容的大小是影響CO2物理吸附的主要因素。而通過原子摻雜、胺改性和酸堿改性可實現多孔碳表面化學性質的調控，進而增加化學吸附位點，提高CO2吸附性能。

2.1 摻雜及其對CO2吸附性能的影響

2.1.1單原子摻雜及其對CO2吸附性能的影響

碳材料在合成過程中無法保持石墨結構的完整性，造成其自身存在缺陷位，包括拓撲缺陷位和結構缺陷位[23]。制備多孔碳時，部分孔結構被燒掉，孔結構中會存在缺陷，可采用雜原子摻雜修飾改性，使原子與碳材料表面或碳骨架相互作用[24]，目前常采用N、B、S等原子進行原子摻雜。

N摻雜主要包括原位合成法和后處理摻氮法。原位合成法是通過熱解法、模板法、化學氣相沉積法(CVD)和水熱法等直接在材料中摻入N元素，孔的形成和N的摻雜同時進行。Geng等[25]以玉米芯為C源，NH3為活化劑和N源制備多孔碳，采用原位合成法將N原子引入碳結構中，摻雜方式如圖3所示[25]。

圖3 一步法合成源自生物質玉米芯的氮摻雜微孔碳材料示意

后處理法是以胺類前驅物為N源，通過氨氧化或浸漬處理，在碳材料表面引入含氮基團。Li等[26]以無煙煤為原料，KOH活化法制備多孔碳，以尿素為N源浸漬處理煤基多孔碳，該方法采用后處理摻氮法將N原子摻雜在碳結構中，制備流程如圖4所示。

圖4 合成路線和應用示意[26]

原位合成法引入的主要是化學氮，含氮量易控制，但合成步驟復雜且時間長；后處理法過程簡單，但結構不穩定，高溫時易分解，且要使用氨氣。Meng等[27]以聚吡咯為前驅體制備了氮摻雜活性炭，活化溫度為600 ℃時，氮含量為7.05%，CO2吸附量為177 mg/g，認為CO2吸附量由微孔結構和含氮堿性基團決定。Wang等[28]以酪蛋白為前驅體，K2CO3為活化劑，制備N摻雜活性炭材料。K2CO3與酪蛋白的質量比為3∶1、活化溫度為600 ℃時，材料表現出最好的CO2吸附性能，吸附量可達5.78 mmol/g。陸安慧等[29]以酚醛樹脂為C源，賴氨酸為催化劑和N源制備活性炭，吸附CO2時，孔結構和氮摻雜的影響分別為60%和40%。Zhu等[30]等采用模板法制備含氮多孔碳，采用XPS表征，其中含有吡啶氮、吡咯氮和少量氧化氮，吡咯氮在CO2吸附中貢獻最大，含氮量在30%左右，CO2吸附容量達4.39 mmol/g，5次吸附脫附后，吸附容量變化較小，循環穩定性較好。Ma等[31]以葡萄糖為C源、乙二胺為N源、KOH為活化劑制備多孔碳，未摻雜N元素的碳材料CO2吸附量為4.19 mmol/g，摻雜N元素后CO2吸附量達5.01 mmol/g，N元素含量為8.02%。研究發現，由于靜電相互作用CO2吸附量提高了31.9%，其中吡咯氮貢獻最大，如圖5所示，該多孔碳還表現出良好的選擇性。

圖5 孔徑為0.6 nm的O摻雜GSMS和N摻雜OSGM-OH對CO2吸附的靜電貢獻[31]

馬榮[32]以棕櫚殼為C源，尿素為N源制備了分級多孔碳，N源/C源為3∶1時，表現出優異的CO2吸附性能，CO2吸附量達5.29 mmol/g，循環20次后穩定性良好，且與未摻雜N源的多孔碳相比選擇性明顯提高，且吡咯氮(N-5)含量高更有利于CO2的捕獲。

CO2吸附量與結構表面含N總量與無關，與特定N官能團含量密切相關。N原子的摻雜可形成含有吡啶氮、吡咯氮和石墨氮堿性位點的多孔碳，由于這些堿性位點的形成，可使CO2的吸附性能提高。

S摻雜主要包括原位合成法和后處理摻硫法。原位合成法是用含硫的碳前驅體直接炭化得到含S原子的碳材料；后處理法可通過熱解或浸漬含硫化學試劑，將硫原子連接到碳表面。后處理摻硫法會堵塞孔道，破壞孔結構，造成比表面積減小，導致碳材料吸附能力減弱。目前選擇噻吩和噻吩基化合物作為前驅體合成硫摻雜多孔碳。Kiciński等[33]以間苯二酚和2-噻吩甲醛作為前驅體，在800 ℃下炭化制備硫含量高達10%的多孔碳干凝膠，其CO2吸附量達5.37 mmol/g，具有良好的吸附性能。

硼原子比碳原子少1個電子，尺度接近，硼原子摻雜改變了碳材料的電子結構，增強了碳材料的石墨化程度和抗氧化能力。原位合成法將硼元素在合成過程中直接摻雜，通常是以含硼化合物為前驅體，模板劑、硼源和碳源相互作用，最后使含硼化合物轉變為所需產物。后處理摻硼法采用化學方法將硼原子引入制備好的碳材料中。史超等[34]以間苯二酚-甲醛樹脂為碳前軀體，硼酸為硼源，采用水熱合成法制備不同硼摻雜量的介孔碳材料，發現碳材料中硼對CO2的吸附能力明顯改善。硼碳比為0.05時，CO2的吸附效果好且循環穩定性強。30 ℃時，CO2的平衡吸附量達81.17 mg/g。Liu等[35]制備了O摻雜多孔碳，指出CO2/N2選擇性取決于碳材料中超微孔數量和含氧量。

2.1.2多原子共摻雜及其對CO2吸附性能的影響

N、S、P、B原子摻雜在碳結構中，表面化學結構改變，可引入適于CO2吸附的官能團，如含氮官能團、含硫官能團、含氧官能團。由于P、S元素直徑大于C元素，摻雜到晶格中較困難，因此原子摻雜圍繞N元素進行摻雜，N/O、N/S、N/Mg、N/P等共摻雜的研究較多。

Jin等[36]采用原位摻雜方法制備S/N共摻雜的多孔碳，由于吡啶氮、吡咯氮和氧化S的存在使CO2吸附性能和CO2/N2選擇性提高，CO2吸附容量在0 ℃達4.5 mmol/g。Singh等[37]以牛乳中酪蛋白為N、O、C源自摻雜制備N/O共摻雜的多孔碳，其表面存在環己烷、苯、吡啶、吡咯氮等官能團，且CO2吸附量達3.5 mmol/g。Lu等[38]制備了N/Mg共摻雜的多孔碳，其表面存在吡啶氮、吡咯氮和石墨氮，吡啶氮和石墨氮是堿性位點，有利于CO2的吸附。Mg摻雜后多孔碳的CO2吸附能力較未摻雜Mg的提高了70.4%。2020年，文獻[14]采用離子液體為氮、氧源改性了KOH活化法制備多孔碳，改性后和碳納米管復合，N、O含量分別為8%和3%時，復合材料CO2吸附量達5.7 mmol/g，且循環穩定性很好。Wang等[39]制備了N、S、O、P摻雜的多孔碳，也表現出很好的CO2吸附性能。

2.2 表面官能團及其對CO2吸附性能的影響

材料表面表面化學性質和極性程度影響吸附性能。吸附質極性較強，可增加酸性含氧官能團的數量，極性弱以及非極性吸附質可增加堿性含氧官能團或含氮官能團數量。可根據吸附質的極性強弱，確定改性方法，增加官能團種類和數量。CO2既是非極性物質又是酸性物質，且其極性大于N2，極性的多孔碳表面更有利于CO2/N2的分離，因此可增加多孔碳表面堿性基團數量，提高CO2吸附性能。改變表面化學性質也可使用胺改性多孔碳或酸堿改性多孔碳。

2.2.1胺改性及其對CO2吸附性能的影響

胺類化合物可很好地捕獲CO2氣體[40]，煙氣中CO2的分離可采用洗滌液胺法，但該方法對機械造成一定腐蝕，能耗大，成本高，有毒，產生有害副產品，可使用胺改性吸附劑，提高CO2吸附性能。胺類在多孔碳上的負載方法有化學接枝和物理浸漬[41]。常用的胺改性吸附劑如TETA、EDA、TEPA等可改變吸附效果，胺改性吸附劑會在表面形成伯胺、仲胺、叔胺，吸附CO2時，CO2分子和伯胺、仲胺會發生化學反應形成氨基甲酸酯類物質，促進CO2吸附。叔胺不直接與CO2反應，但少量叔胺的存在會提高CO2吸附性能。伯胺、仲胺和CO2分子反應如下：

王霞[42]采用TEPA改性MCM-41，TEPA含量為30%時，CO2吸附量達3.01 mmol/g，且15次循環吸附脫附后仍有良好的穩定性。王燕霞[43]采用40%的TEPA改性商業活性炭，得到含氧官能團的材料，該材料CO2吸附量達2.45 mmol/g，且經10次循環后吸附量仍保持在92.24%。王燕霞[44]以寧夏羊腸灣煤為原料，尿素為氮源，空氣為氧源制備多孔碳材料，研究發現，引入含氧官能團預氧化后會有更多含氧官能團活性位點暴露，使N元素在碳結構表面更易形成含氮官能團，與未引入含氧官能團的多孔碳相比，引入含氧官能團后的多孔碳在0 ℃的CO2吸附量提高了1.55 mmol/g，且循環10次脫附-吸附后仍可重復使用。Zhang等[45]使用乙二胺(EDA)、二乙基四胺(DETA)、三乙基四胺(TETA)、四乙基四胺(TEPA)對煤氣化細渣進行胺改性，發現TEPA改性后CO2吸附量最高，負載量為20%，且10次吸附-脫附后吸附量無明顯下降。Wang等[46]以5種生物質灰為原料，選擇TEPA、MEA、DEA、PEI、DETA進行改性，發現TEPA改性后的多孔碳CO2吸附性能最好，且10次循環后穩定性良好，負載量在45%左右。

2.2.2酸堿改性及其對CO2吸附性能的影響

多孔碳表面改性后可能出現酸性、堿性、中性官能團，影響多孔碳吸附性的主要是含氧官能團(羥基、羧基、羰基等)和含氮官能團(氨基和酰氨基等)。可采用酸堿改性法改變多孔碳表面化學性質，以提高CO2吸附性能。表面酸堿改性，指使用酸堿處理多孔碳，如HCl、NaOH、HNO3、氨水等。

Chen等[47]使用HCl、HNO3、NaOH改性多孔碳，HNO3的加入會形成一定數量的羰基和羧基，NaOH改性后的多孔碳表面會存在羥基，HCl的加入增加了單鍵含氧官能團數量。經低濃度硝酸改性后，比表面積和孔容增加，而高濃度硝酸會導致多孔碳孔結構坍塌，比表面積和孔容減少。

呂迪[48]通過HCl和NaOH對煤質活性炭和木質活性炭進行改性，HCl改性和NaOH改性對活性炭的比表面積影響很小，且改性后的活性炭均表現出較好的吸附能力，HCl改性活性炭吸附能力強于NaOH改性活性炭。

Alhassan等[49]以甘蔗渣為原料、ZnCl2為活化劑制備多孔碳，選擇H3PO4、NaOH改性多孔碳，發現經H3PO4和NaOH改性后的多孔碳CO2吸附能力強于未經改性的多孔碳，且經NaOH改性后的多孔碳CO2吸附能力最強。

Guo等[50]等以甘蔗渣為原料、NaOH為活化劑制備的多孔碳在25 ℃時CO2吸附量達4.28 mmol/g，是由于NaOH不僅能促進孔隙發展，利于CO2的擴散和吸附，還會豐富吸附劑表面堿度而提高CO2的吸附性能。

雜原子摻雜、胺改性等手段可改變材料表面化學性質，氮原子的摻雜可引入堿性位點，與酸性分子CO2發生化學反應，提高了CO2吸附性能。碳結構表面含N總量與CO2吸附量無關，與特定N官能團(吡啶氮、吡咯氮、石墨氮等)含量密切相關。表面化學性質改變的同時也可提高煙道氣中對CO2氣體的選擇性，但表面化學性質的改變存在挑戰。

對于摻雜改性，雜元素的引入會破壞碳的骨架結構，引入過多雜原子會造成孔結構的坍塌，降低比表面積，物理吸附位點減少，降低CO2吸附性能。物理吸附位點和化學吸附位點之間存在協同調控問題。對于氮元素摻雜，氮的摻雜類型對材料吸附容量及選擇性的影響較明顯，目前普遍認為吡咯氮對CO2吸附性能的影響較大，但各類氮摻雜形態與CO2吸附性能的影響作用仍有待研究。此外，急需開發可調控摻雜原子類型與含量的制備方法。

對于胺改性，目前存在胺浸出與胺失活問題，且不同種類的胺分子大小不同，相適應的吸附劑微孔和介孔比例不同，對多孔碳載體的孔調控技術提出了更高要求。同時解決胺分子的均勻分散也是制備胺基碳吸附劑的關鍵問題。在多孔碳吸附劑實際循環使用過程中，外界因素(其他氣體、溫度、壓力、濕度等)均會影響CO2的吸附，因此探究CO2與其他常見氣體間的競爭吸附作用具有重要意義。

3 結語與展望

目前以生物質[12，46]、煤[14,44]、聚合物[17,19]，煤瀝青[51-52]等為原料已制備出多種高比表面積多孔碳材料。物理活化法和化學活化法已被廣泛應用于多孔碳的規模化制備中。模板法在調控材料孔結構方面展現出明顯優勢。多孔碳的孔隙結構是影響CO2物理吸附重要因素，0.3～0.8 nm微孔是CO2物理吸附的活性位點。同時材料的表面化學性質是影響多孔碳化學吸附吸附及吸附選擇性的主要因素。針對氮摻雜，吡咯氮對CO2吸附性能的影響較大。基于CO2酸性氣體的本質特性，固體胺吸附劑在CO2捕集中有明顯優勢，固體胺吸附劑兼具物理吸附和化學吸附特性，更適用于煙道氣(60～70 ℃)中CO2的吸附。但多孔碳材料在制備及應用中仍存在以下不足：

1)物理活化法和化學活化法很難實現材料結構的精準調控，制備出具有大孔-介孔-微孔結構多孔碳材料。

2)材料中大孔-介孔-微孔結構的配比與CO2擴散和吸附的關系仍需深入研究。

3)雜元素摻雜型多孔碳的吸附活性位點作用機制仍不明晰，雜元素間的協同作用機制需探討。

4)現有摻雜方法無法準確調控雜原子的摻雜形態。

5)胺改性吸附劑存在胺分散、浸出和失活等問題。

6)摻雜和改性會破壞材料的孔隙結構，物理吸附位點和化學吸附位點間存在的協同調控問題。

7)環境因素對吸附劑性能的影響。

因此，研究CO2在多孔碳材料中的擴散性質，探究CO2與其他常見氣體間的競爭吸附作用，開展多方法聯用制備孔隙結構和表面性質可調的多孔碳材料，對制備高效的CO2吸附材料至關重要。