金屬氧化物耦合含吡咯氮生物質炭吸附CO2 的機理研究

汪輝春 ，顧明言 ，陳 萍,* ，王 瑩 ，葛振凌 ，汪 一

（1. 安徽工業大學 能源與環境學院, 安徽 馬鞍山 243002；2. 華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室, 湖北 武漢 430074）

目前，中國能源消費結構中，化石能源在一次能源消費中比例高達86.17%[1]，煤電仍是保障中國電力安全和電力供應的主力，發電量所占比例高達62.56%[2]，使得中國CO2排放水平居高不下。對于電力行業，根據碳捕集與燃燒過程的先后順序，傳統碳捕獲方式主要包括富氧燃燒和燃燒后捕獲等，后續需進行CO2的分離。目前，混合氣體中的CO2分離技術包括物理法和化學法，可分為溶劑吸收法（物理/化學）、吸附法（物理/化學）、電化學法（化學）以及水合物法（化學）等。吸附法具有工藝流程簡單、能耗低、成本可控、CO2選擇吸附性較好等優勢[3]。CO2的捕獲對于實現碳達峰、碳中和，從而綠色低碳、改善全球氣候至關重要。目前，高效經濟的吸附劑制備成為CO2捕獲的抓手。研究人員對如多孔碳[4]、沸石[5]、金屬有機框架(MOFs)[6]和多孔聚合物[7]等眾多捕獲CO2的多孔固體吸附劑都已有較深研究。其中，多孔碳具有成本低、比表面積大、孔隙率高等優良特性[8,9]，其作為CO2吸附劑越來越受到關注。而在各種用于合成多孔碳的前驅體中，生物質材料因其廣泛的使用性、低成本、可再生和凈零排放，成為研究熱點。

作為多孔碳吸附劑，如何提高生物質炭對CO2的吸附特性是目前亟需開展的工作。已有研究表明，引入氮官能團可以有效地提高表面吸附活性，從而提高對CO2的吸附能力[10-13]。通過酸堿相互作用[14]、四極-四極相互作用和氫鍵相互作用[15]，增強了含氮碳對CO2的吸附容量和選擇性。Yue等[16]制備的氮摻雜碳在25 ℃時CO2吸附容量為3.71 mmol/g，與未摻雜樣品相比增加了40.53%。Sethia 等[17]合成的富氮活性炭在25 ℃下表現出5.39 mmol/g 的高CO2吸附容量和高CO2/N2選擇性。Wang 等[18]報道，與未摻雜的多孔碳相比，氮摻雜的多孔碳CO2捕獲能力增強了約兩倍。

在摻氮碳材料中，氮官能團以吡啶氮(N-6)、胺/亞胺、吡咯氮(N-5)、季氮(G-N)和氧化氮(NO)的形式存在[19]，進一步研究發現不同氮基團對CO2吸附的貢獻不同。Xu 等[20]通過尿素摻雜葡萄糖在KOH 活化作用下制取多孔碳，得到N-5 高于N-6 和G-N，推測N-5 可能有利于CO2捕獲。Sanchez等[21]研究發現，N-5 對CO2捕獲的貢獻高于N-6 和G-N。Wang 等[18]用密度泛函理論（DFT）計算描述了CO2與多孔碳吸附的相互作用，含N-5 的碳表面與CO2分子間具有色散作用，增強了氮摻雜碳基表面CO2的吸附性能。綜上所述，相比于N-6、G-N、N-O 等含氮官能團，N-5 對CO2在生物質炭上吸附更有利。

然而，多孔碳材料仍面臨碳表面缺乏高活性吸附位點的缺陷。以往的研究表明，多孔碳材料的吸附能力與其豐富的分層孔隙結構密切相關[22-24]。表面活性基團改性是提高對CO2[25-27]吸附能力的有效方法。研究表明，金屬可以提供活性位點，增強表面極性。例如，Ma 等[27]研究Li 摻入炭材料對CO2捕獲12.46 mmol/g，是未摻雜的4 倍。Zhao等[28]研究了在多孔碳中引入K+離子，與N 摻雜相比，它在低壓下具有更高的CO2吸收能力和選擇性。Reddy 等[29]發現，金屬摻雜CaO 對CO2的吸附能力按以下順序增加： Li ＜ Na ＜ K ＜Rb＜ Cs。Wang等[30]得出CaO（100）金屬摻雜表面形成不同的單齒狀配位,這種堿性氧位點是CO2吸附的活性位點。Lahijani 等[31]研究在金屬負載生物炭中，含Mg 生物炭對CO2捕獲能力為80.0 mg/g，高于原始生物炭 高10.9 mg/g。近年來，金屬氧化物耦合生物炭復合材料在吸附中得到了越來越多的應用[13,32,33]。

目前，關于金屬氧化物耦合含氮生物質炭對CO2的吸附機理研究鮮有報道。不同氮存在形態和不同金屬摻雜對CO2吸附的貢獻不盡相同，不同金屬氧化物耦合含氮生物質炭作用機制必然有所差異。基于此，探究CO2在金屬礦物質耦合富氮生物炭表面的吸附機理十分必要。本研究首先采用密度泛函理論計算含吡咯氮（N-5）生物質炭協同不同金屬氧化物對CO2的吸附量，然后通過數學模型對吸附等溫線進行擬合，進一步利用擴展模型得出競爭性吸附下CO2選擇性吸附較優的金屬氧化物，最后對比分析CO2在不同金屬氧化物耦合含吡咯氮生物質炭上吸附能。本研究為生物質炭摻氮基團和金屬耦合摻氮生物質炭的定向調控制備提供理論支撐。

1 生物質炭模型構建

1.1 生物質炭及其耦合不同金屬氧化物模型構建

利用Materials Studio 軟件中“Amorphous Cell”，以不含氮生物質炭(C-H)和含吡咯氮生物質炭(C-N5)片段為基礎(如圖1)，通過分子模擬的方法構建八種生物質炭構型(如圖2)，分別命名為CH(純生物質炭)、CN5(含吡咯氮純生物質炭)、CH@ZnO(純生物質炭耦合ZnO)、 CN5@ZnO、CH@CaO、CN5@CaO、CH@Na2O 及CN5@Na2O。參數設置：執行Construction 任務，計算質量為Ultra-fine，密度設置為0.5 g/cm3，立方晶胞大小為50×50×50 ?，力場選擇Dreiding，靜電勢求和方法選擇ewald。通過軟件Poreblazer V3.0[34]計算CH和CN5 構型孔徑分布，如圖3 所示，比表面積和孔容見表1，CH 與CN5 孔徑分布基本一致，主要集中在5-15 ?，為微孔吸附劑。

表1 CH、CN5 構型比表面積和孔容Table 1 CH, CN5 configuration specific surface area and pore volume

圖2 不同生物質炭優化后的構型Figure 2 Optimized configuration of different biochars

圖3 CH、CN5 構型孔徑分布Figure 3 Pore size distribution of CH and CN5 configuration

1.2 CN5@MOx 吸附能模型構建

采用Materials Studio 軟件的“CASTEP”模塊構建吸附構型[35]。通過密度泛函理論(Density Functional Theory, DFT)[36]計算研究CH/CN5@MOx對CO2的吸附能。GGA(廣義梯度近似)方案和PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof)泛函用于描述交換和相關相互作用。利用超軟贗勢來描述電子和離子核之間的相互作用。選擇自旋極化選項進行自旋不受限制的計算。幾何優化選擇BFGS 優化算法。

CN5 與MOx的耦合位點有Top、Bridge、Hollow，圖4 為CN5 與ZnO 不同耦合位點構型。

表2 為幾何優化后的平衡能量。為提供對比性，保持幾何優化參數設置一致。吸附表面均為原胞001 切面，真空區域設置為10 ?，以避免周期性圖像之間的相互作用[37]。對底層原子進行固定，對表層進行松弛計算。能量在一個單體網格中收斂于2 × 2 × 2 k 點。電子波函數擴展為平面波，截止能量為400 eV。幾何優化的收斂準則設置為：(a)自洽場5.0 × 10-7eV/atom；(b)能量5 ×10-6eV/atom；(c)位移5 × 10-4?；(d)力0.01 eV/?；(e)應力0.02 GPa。

表2 CN5 與ZnO 不同耦合位點優化平衡能量Table 2 CN5 and ZnO have different coupling sites to o ptimize the balance energy

2 計算方法

2.1 吸附量計算

采用大正則蒙特卡羅(GCMC)方法[38]研究不同生物質炭結構模型在0、20、50 ℃溫度下對CO2的吸附作用，通過“sorption”模塊中Adsorption isothem 任務計算等溫吸附曲線。參數設置采用metropolis 方法，吸附分子為CO2，力場選擇Compass 2。吸附計算精度平衡步為106，計算步為2×106，截斷距離為12.5 ?。

CH、 CN5 吸附構型的原子組成分別為3036C1012H 和2944C966H46N， 分子量分別為37444 和36938 g/mol，進行金屬氧化物摻雜時保持Na2O、CaO、ZnO 摻雜數量一致(10 個分子)，摻雜后的分子量在CH、CN5 的基礎上分別增加了620、560、814 g/mol。“sorption”模塊計算輸出的吸附量(Loading)單位為per cell，通過進一步計算轉化為mmol/g，公式如式（1）：

式中，A為換算所得吸附量(mmol/g)，L為模擬計算吸附量(pre cell)，NA為阿伏伽德羅常數，Mi為吸附模型中各原子量(g/mol)，Ni為吸附模型中各原子數量，n為吸附模型中原子種類總數，i為原子類型，C、H、N、Na、Ca、Zn、O。

進一步通過對吸附平衡研究估計吸附劑對CO2飽和吸附量。本研究采用Langmuir 和Freundlich數學模型[39]對CO2在物質碳上吸附量進行擬合分析。采用等空間焓（ΔHS）來表征吸附熱對吸附劑的影響。通過克勞修斯-克拉佩龍方程[17]，根據Freundlich 吸附等溫線參數計算在給定（qe=0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5 和5.5 mmol/g）表面負載下CO2在CH/CN5@MOx上吸附的ΔHS。

2.2 吸附能計算

Perry 等[40]實驗發現纖維素炭與炭熱解產物相似。很多研究人員在構建炭的模型時采用4 到7 個芳香族苯環，取得了可靠的結果[41-43]。Feng 等[44]構建4 苯環模型研究KOH 改性生物質炭表面對NO 還原機理。為節約計算成本，采用4 苯環模型構建生物質炭。

吸附能(Eads)計算見式(2)：

式中，Epro為吸附產物的總能量，Eslab為基底模型的總能量，Eadsorbate為吸附質CO2在其幾何優化形狀下的總能量。Eads值為負，對應于放熱過程，該值越小，釋放的熱量越多，吸附越強，形成的吸附構型更穩定。

圖5 為CN5@ZnO 吸附CO2比較，不同耦合位點吸附能見表3。

表3 CN5 與ZnO 不同耦合位點對CO2 吸附能Table 3 CN5 and ZnO have different coupling sites for CO2 adsorption energy

圖5 CN5 與ZnO 不同耦合位點吸附CO2Figure 5 CN5 adsorbs CO2 at different coupling sites with ZnO

結合表2 和表3，由于不同耦合位點平衡能量相差僅0.1953 eV，CN5 與ZnO 不同耦合位點對CO2吸附能僅相差8 kJ/mol。表3 中CN5@ZnO的Top 位點對CO2吸附性能較好，故本研究主要選取Top 位點開展MOx耦合CN5 吸附CO2探究。Top 位點下CN5@MOx優化構型如圖6 所示。

圖6 不同金屬氧化物Top 位點耦合含吡咯氮生物質炭優化構型Figure 6 Optimized configuration of pyrroleaze-containing biochar coupled with different metal oxides

3 結果與討論

首先對0-100 ℃下CO2在CH/CN5@MOx上吸附量進行計算，并結合數學模型對等溫吸附曲線進行擬合，然后進一步對比分析CO2在CN5@MOx表面的吸附能。

3.1 CH/CN5@MOx 對CO2 吸附量

為研究溫度對吸附的影響，對CH 及CN5 吸附構型在101.325 kPa，不同溫度下吸附CO2的情況展開計算，如圖7 所示。CH 與CN5 模型在不同溫度下對于CO2的吸附量相差不大，僅在0 ℃時，CN5 吸附量優于CH，在10-100 ℃，CH 模型較CN5 吸附量更多，其中，在20 ℃時差值達到最大，CH 比CN5 高出0.0981 mmol/g。CH、CN5 對CO2吸附量隨溫度的升高而減少，直至平緩，80 ℃以后吸附量受溫度的影響不再明顯。其原因可能是生物質焦對CO2的吸附主要表現為物理吸附，溫度升高出現了不同程度的解吸。100 ℃時CH、CN5對CO2的吸附量分別僅為0 ℃時的13.95%、13.62%，由此，高溫環境不利于吸附劑對氣體的吸附。

圖7 吸附量隨溫度的變化Figure 7 Adsorption capacity varies with temperature

固定吸附溫度為20 ℃，吸附壓力控制在0.1-100 kPa，計算CO2在CH@MOx、CN5@MOx上等溫吸附曲線，如圖8 所示。比較各等溫吸附曲線，與純生物質炭相比，生物質炭耦合不同金屬氧化物后對CO2吸附量均有所提升。CN5@Na2O 在各壓力下對CO2吸附量均最高。表4 為100 kPa 時0、20 及50 ℃下CO2在各生物質炭上吸附量。Li 等[45]以板栗殼為原材料制備吸附劑，在標準工況下對CO2吸附量測得在3.65-5.23 mmol/g。本研究構建的CH、CN5 吸附構型在0 ℃、100 kPa 對CO2吸附量分別為4.41、4.45 mmol/g，模擬計算值符合實驗測得范圍。

表4 100 kPa 時不同溫度下CO2 在生物質炭上吸附量Table 4 At 100 kPa, the amount of CO2 adsorbed on biochar at different temperature strips

圖8 20 ℃下CO2 在各生物質炭上吸附量Figure 8 Amount of CO2 adsorbed on each biomass char at 20 ℃

分析表4 中20 ℃時吸附量發現，CN5@ZnO、CN5@CaO、CN5@Na2O 對CO2的吸附量較CH 分別提升了28.57%、65.20%和123.81%，表明金屬氧化物耦合含吡咯氮生物質炭可以顯著提高CO2吸附性能，且不同金屬氧化物摻雜對吸附性能的提升差異較大。在所研究三種金屬氧化物耦合含吡咯氮生物質炭中，Na2O 為最優選。CN5@Na2O 在0、20、50 ℃下對CO2吸附量分別為8.86、6.11、4.10 mmol/g，較CH 分別提升了100.91%、123.81%、180.82%。

3.2 CH/CN5@MOx 對CO2 等溫吸附特性

通過Origin 采用Langmuir、Freundlich 方程對20 ℃、0.1-100 kPa 下生物質炭表面CO2吸附量進行非線性回歸分析，等溫吸附曲線Langmuir、Freundlich 擬合如圖9(a)、(b)所示，擬合參數見表5。

表5 20 ℃下各吸附模型擬合常數Table 5 Fitting constants for each adsorption model at 20 ℃

圖9 20 ℃時生物質炭表面CO2 的等溫吸附曲線Figure 9 Isothermal adsorption curve of CO2 on biochar surface at 20 ℃

發現圖9(a)中Langmuir 模型不能很好描述低壓下CO2在生物質炭表面的吸附量變化。Langmuir 模型對CH/CN5@ZnO 擬合度較高，R2達到99.9%， 而CH/CN5@CaO 和CH/CN5@Na2O 擬合度偏差較大，R2僅為87.6%和88.9%。圖9(b)中Freundlich 模型對CH/CN5@CaO 和CH/CN5@Na2O 擬合度較高，R2均高于96.6%。由此推測、CO2在CH/CN5@ZnO 上吸附僅表現為單層吸附，卻在CH/CN5@CaO 和CH/CN5@Na2O 上表現出多層吸附，這使得CH/CN5@Na2O 對CO2吸附量高于單層吸附的CH/CN5@ZnO。

3.3 CO2 在CH/CN5@MOx 上吸附熱

圖10 為CO2在各生物質炭上吸附熱。根據經驗，在80 kJ/mol 或以上的吸附熱過程被認為是由化學吸附控制的，而較小的值表示物理吸附[46,47]。在吸附溫度為20 ℃及吸附量0.5-5.5 mmol/g 上CH/CN5@MOx對CO2的ΔHs為21.97-61.05 kJ/mol，都為典型的物理吸附。此外，ΔHs均為負值，CO2的吸附過程是放熱的。吸附熱隨著吸附量的提升而減小，但是降低呈現減緩趨勢，這可能是因為表面載荷的增加。在CO2低吸附量時，初始的高ΔHs值顯然是由于CO2與吸附劑表面活性位點之間的強相互作用。隨著CO2吸附量的增加，ΔHs逐 漸降低， CN5@Na2O 對 CO2吸附熱從1 mmol/g 時61.05 kJ/mol 降至5.5 mmol/g 時的35.08 kJ/mol，這可能是在高表面負載下，生物質炭表面出現多層吸附，較強的相互作用位點已經被占據，非表層CO2與CH/CN5@CaO、CH/CN5@Na2O 之間發生了較微弱的相互作用，同時CO2分子之間存在相互作用，使吸附熱梯度減小。因此，在較高的表面覆蓋下，CO2吸附熱ΔHs略有下降。這與Freundlich 等溫吸附曲線模型推測的CN5@Na2O 對CO2多層吸附相互一致。

圖10 CO2 在各生物質炭上吸附熱Figure 10 CO2 adsorbs heat on each biochar

與許多其他吸附劑（如沸石、MOFs 和金屬碳酸鹽）相比，相對較低的ΔHs使CN5@Na2O 中所吸附的CO2有可能以更低的能量損失解吸同時再生吸附劑。

CN5@Na2O 在低表面載荷下的ΔHs值較高，證實了Na2O 摻雜導致CO2與吸附劑表面之間的強相互作用，伴隨著高ΔHs值。這一事實證實了Na2O 的物理吸附在較低的表面覆蓋范圍內起著重要的作用。對于所有表面載荷，由于CO2和CN5@Na2O 吸附劑之間的相互作用更強，CN5@Na2O 的吸附熱高于CN5@CaO 和CN5@ZnO。從圖7 中可以看出，同一吸附量下MOx會增加吸附熱ΔHs，使CO2更容易被吸附。增加程度依次為Na2O＞CaO＞ZnO，與MOx對吸附量的提升一致。

3.4 CO2 在CN5@MOx 上吸附能

CO2在CN5@MOx上吸附構型如圖11 所示，表6 為CN5@MOx對CO2吸附能計算結果。分析表6 可知， CN5@Na2O 的吸附能最大， 為-145.86 kJ/mol，吸附效果最好。

表6 吸附能計算Table 6 Result of the adsorption energy calculation

圖11 CO2 在不同金屬氧化物耦合含吡咯氮生物質炭表面的吸附構型Figure 11 Adsorption configuration of CO2 coupled with pyrrole nitronitrogen-containing biochar in different metal oxides

為了進一步闡明CO2在CN5@MOx表面吸附時的電子相互作用、結合強度和電荷轉移情況，實驗對CO2及其在CN5@MOx上主要相互作用原子的電荷差分密度(Electron Density Difference，EDD)和態密度(Partial Density of States，PDOS)進行計算分析。

CO2在CN5@MOx上吸附電荷差分密度圖如圖12 所示。分析圖12(a)可知，CO2上C1、O1失去電子，CN5 上N 得到電子，發生軌道雜化，C1、O1和表面N 之間電子云的重疊表明它們之間發生了很強的相互作用，并且這兩個原子是成鍵的。這種相互作用導致了電子分布的重排，這從與圖12(a)對應的圖12(b)剖面圖中也能直觀看出。圖12(c)中CO2上C 失去電子，而O 得到電子；CN5 上N 得到電子同時C 失去電子。結合圖12(d)表明，C1-N 發生軌道雜化、電子云交疊，同時O1-C2間亦存在電子轉移。圖12(e)中CO2上C 失去電子，同時O1得到電子，O2失去電子；CN5 上N 得到電子同時C2失去電子。值得注意的是，圖12（f）剖面圖直觀表現出Na 得到電子，C1-N、O1-C2、O2-Na 間發生電子轉移，表明Na 增強了CO2與摻氮生物質炭表面的成鍵特性。從EDD 譜圖中CO2與吸附表面電子云交疊、電荷轉移程度可以判斷金屬氧化物摻雜對吸附效果提升上，Na2O＞CaO＞ZnO，與吸附能表現一致。

圖12 （a）、（c）、（e）分別為CO2 在不同生物質炭上吸附電荷差分密度圖（藍色、黃色區域分別為得到和失去電子）;（b）、（d）、（f）分別為其剖面圖（藍色、紅色區域分別為得到和失去電子）Figure 12 (a), (c) and (e) were the differential density maps of CO2 adsorption charges on different biochars (the blue and yellow regions gained and lost electrons, respectively); (b), (d), (f) are their profiles (blue and red areas gain and loss of electrons, respectively)

通過計算態密度來解釋吸附質氣體CO2與吸附劑表面之間的電子結構變化。CO2在不同吸附條件下的態密度有所不同。圖13(a)為原始CO2及吸附狀態下CO2DOS 圖，圖13(b)、(c)、(d)分別為CO2在CN5@ZnO、CN5@CaO、CN5@Na2O 上吸附時PDOS 譜圖。

圖13 CO2 在CN5@MOx 表面的PDOS 譜圖Figure 13 PDOS of CO2 on CN5@MOx

s和p軌道的能量不斷向較低的能量移動可以達到更穩定的狀態，表明吸附過程的發生。圖13(a)中，與原始CO2DOS 相比，CO2在CN5@MOx上吸附后，其圍繞費米能級的p軌道消失并向較低能量移動。CO2在CN5@ZnO、CN5@CaO、CN5@Na2O 上吸附后p軌道分別從0 eV 移動到-4.13、-4.96 和-6.51 eV。CO2靠近費米能級的p軌道是參與吸附的主要電子。從能級推斷CN5@Na2O對CO2吸附促進效果是最優的，其次是CN5@CaO、最后是CN5@ZnO。

進一步分析原子之間如N-C、N-O 的PDOS，明晰CO2中C、O 與吸附表面N 之間的相互作用。當組成原子軌道具有相同的能量時，形成穩定的雜化軌道。圖13(b)-(d)為CO2中C、O 與吸附表面N 的PDOS，均出現共振峰，電子云重疊主要發生在p軌道上，這一現象意味著金屬氧化物耦合后生物質炭中N 和CO2中C、O 之間發生了很強的相互作用。共振峰處于較低能量處則較穩定，通過比較圖13(b)-(d)可以看出，CN5@Na2O 吸附CO2后N-O 共振峰的能級主要為-11.55、-10.08、-6.51、2.01 eV，N-C 共振峰能級為-10.08、2.01 eV。以導帶中共振峰進行比較，CN5@Na2O、CN5@CaO、CN5@ZnO 共振峰分別為2.01、3.54 和4.35 eV，CN5@Na2O 共振峰較CN5@CaO、CN5@ZnO 分別低了1.53、2.34 eV，這使得CN5@Na2O 對CO2吸附能最大。可以發現，CO2-C 與CO2-O 間存在相同的共振峰，這是因為CO2中C、O 之間的C=O發生軌道雜化，存在共振峰，但是在相同共振峰能級處峰值不同。如CN5@Na2O 吸附中，在2.01 eV處，CO2-C 中峰值為1.37 eV，CO2-O 中則是達到了4.00 eV，這是因為O 與表面N 也存在電子云交疊，表明CO2中C、O 與表面N 均發生軌道雜化，這與EDD 分析的CO2中C、O 與N 間有存在相互作用力一致。同時，意味著Na2O 的存在促進了CO2的吸附過程，與吸附能計算結果中Na2O 摻雜后吸附能最大相吻合。

4 結 論

利用量子化學計算方法研究了不同金屬氧化物耦合含吡咯氮生物質炭對CO2的影響機理，得出以下結論，為高質含碳化學品的制備提供了理論支撐。

不同金屬氧化物(ZnO、CaO、Na2O)耦合純生物質炭(CH)后吸附量均有不同程度的提升。在100 kPa， 0 ℃時， CH、 CH@ZnO、 CH@CaO 和CH@Na2O 對CO2吸附量分別為4.41、4.95、6.17及7.68 mmol/g，從提升效果上來看Na2O＞CaO＞ZnO。

不同金屬耦合含吡咯氮生物質炭(CN5@MOx)較其耦合純生物質炭(CH@MOx)對CO2吸附進一步提升。CN5@Na2O、CN5@CaO、CN5@ZnO 在100 kPa，0 ℃時對CO2的吸附量分別達到8.86、6.61、5.30 mmol/g，而CH@Na2O、CH@CaO、CH@ZnO僅為7.68、6.17、4.95 mmol/g。在吡咯氮與金屬氧化物的協同作用下，對CO2吸附提升分別達到15.36%、7.13%、7.07%，且Na2O與含吡咯氮生物質炭耦合后協同作用更強。

通過Langmuir 和Freundlich 等溫吸附曲線擬合推測CO2在CN5@ZnO 上為單層吸附，而在CN5@Na2O 上為多層吸附。CN5@Na2O 在低表面載荷下(1 mmol/g)的ΔHS值較低，而隨著CO2吸附量的增加，ΔHS增大。

Na 增強了CO2與含吡咯氮生物質炭表面的成鍵特性，使得CN5@Na2O 對CO2吸附作用強于CN5@CaO 及CN5@ZnO。CO2在CN5@Na2O 表面的吸附能較CN5@CaO 和CN5@ZnO 分別高12.82和24.98 kJ/mol。