王恩民，李文翠，雷成，陸安慧

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堿式碳酸鎂催化酚醛聚合制備多孔炭及其CO2吸附性能

王恩民，李文翠，雷成，陸安慧

（大連理工大學化工學院，精細化工國家重點實驗室，遼寧大連 116024）

利用堿式碳酸鎂的催化功能及易分解特性，實現(xiàn)間苯二酚、甲醛的快速凝膠，炭化得到孔隙發(fā)達的整體式多孔炭（MCM-Mg），其軸向抗壓強度達9.4 MPa。與普通碳酸鹽催化的樣品相比，MCM-Mg孔隙更為發(fā)達。273 K下該系列樣品的靜態(tài)CO2吸附量可達3.49～4.50 mmol·g-1(0.1 MPa)，0.015 MPa最高可達1.87 mmol·g-1。研究發(fā)現(xiàn)，微孔對材料吸附性能起主導作用；MCM-Mg的單位微孔比表面積可吸附7.15 μmol CO2，超過了大部分活化法制備的炭材料。多組分動態(tài)穿透實驗表明，該系列材料可實現(xiàn)CO2/N2的完全分離；材料具有良好的耐水汽性能和循環(huán)吸附-脫附性能，室溫下經(jīng)惰性氣體吹掃即可實現(xiàn)再生。

多孔炭；二氧化碳捕集；堿式碳酸鎂；吸附；多孔介質(zhì)；動態(tài)穿透

引 言

作為最主要的溫室氣體之一，大氣中CO2含量的日益增長已成為人類廣泛關(guān)注的重大環(huán)境問題[1]。同時，CO2也是重要的工業(yè)原料，在無機化工、有機化工等領(lǐng)域有著諸多應(yīng)用[2]。因此，利用適宜的方法實現(xiàn)CO2捕集并將其合理利用十分必要[3]。吸附法是一種重要的CO2捕集方法。該方法耗能低、吸附量大，廣泛應(yīng)用于煙道氣及天然氣的分離提純。常見的吸附劑有分子篩、多孔硅、金屬有機骨架、多孔炭等[4-6]。其中，多孔炭具有孔結(jié)構(gòu)發(fā)達、吸附量高、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，已成為當前吸附領(lǐng)域的研究熱點[7-8]。

目前，提高多孔炭CO2吸附分離性能的工作主要集中在表面化學和孔結(jié)構(gòu)調(diào)控。在表面化學調(diào)控方面，研究者常通過在炭材料表面引入雜原子官能團，從而增強材料表面和CO2的相互作用[9]。如Mahurin等[10]提出在炭表面接枝胺肟官能團從而提高CO2/N2吸附選擇性。此外，研究者一般通過活化法、模板法等策略提高材料的孔隙(特別是微孔)發(fā)達程度，進一步提高材料的吸附能力[11-12]。如Sevilla等[13]用聚吡咯（PPy）作前驅(qū)體，通過KOH活化制備了一系列高含氮多孔炭。氣體吸附測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)材料微孔尺寸適宜，吸附量高，并且再生容易。另外，大量研究通過活化法制備孔隙發(fā)達的多孔炭材料（比表面積＞1000 m2·g-1），然而該方法過程較煩瑣，成本較高，同時活化劑的使用還可能造成污染。除上述研究工作外，考慮到實際應(yīng)用的客觀條件，材料的宏觀形態(tài)及機械強度的研究也很有必要。常規(guī)多孔炭呈現(xiàn)粉末狀態(tài)，經(jīng)過黏結(jié)劑成型后容易造成孔道堵塞，同時高流量氣流沖擊下的粉化往往導致這類多孔炭吸附分離性能降低。因此，高機械強度整體式炭材料的制備研究十分重要，被認為是解決上述問題的可能路徑之一[14]。

酚醛樹脂基炭材料是常見的多孔炭之一，在超級電容器、鋰離子電池、儲氫等方面有很好的應(yīng)用前景[15]。Hao等[16]利用苯并嗪體系與酚醛體系設(shè)計序列反應(yīng)，制得高強度大孔-介孔-微孔雙連續(xù)整體式炭，該多孔炭的軸向抗壓強度是文獻報道的類似結(jié)構(gòu)材料的80倍，高達15.6 MPa。傳統(tǒng)酚醛樹脂基炭材料制備過程中，一般用碳酸鹽(Na2CO3、K2CO3)催化酚醛樹脂緩慢脫水縮聚，經(jīng)過干燥炭化等步驟得到富含中孔的多孔炭[17]。相比于非常穩(wěn)定的Na2CO3、K2CO3等（分解溫度＞1500℃）[18]，堿式碳酸鎂（4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O）具有弱堿性，且分解溫度低，一般加熱至300℃以上即可分解產(chǎn)生CO2和水[19]，熱解產(chǎn)物在逐漸逃逸過程中會形成內(nèi)外貫通的孔道，使炭材料的孔隙更加發(fā)達[20]?；诖?，本文提出堿式碳酸鎂催化制備多孔炭的策略，把堿式碳酸鎂的優(yōu)點“嫁接”到酚醛聚合體系，經(jīng)過快速凝膠化-常壓干燥-炭化步驟制備整體式多孔炭材料，該產(chǎn)物具有發(fā)達的孔隙和整體式宏觀形貌。并通過改變炭化溫度尋求最優(yōu)孔隙結(jié)構(gòu)，考察材料孔結(jié)構(gòu)和CO2吸附分離性能的關(guān)系；進一步通過靜態(tài)平衡吸附和動態(tài)吸附分離兩方面評價材料的CO2捕集分離性能。

1 實驗材料和方法

1.1 材料

堿式碳酸鎂（分析純），天津市博迪化工有限公司提供。間苯二酚（分析純），科密歐化學試劑有限公司提供。甲醛(分析純，質(zhì)量分數(shù)為37%)，國藥集團化學試劑有限公司提供。高純氮氣（純度≥99.99%）、二氧化碳（純度≥99.99%）、氬氣（純度≥99.5%），大連光明特種氣體有限公司提供。所用水為實驗室自制去離子水。

1.2 整體式多孔炭的制備

首先向10 ml去離子水中加入1 g堿式碳酸鎂，室溫充分攪拌后靜置24 h，制得飽和堿式碳酸鎂溶液。取4.2 g上清液，向其中依次加入3.0 g間苯二酚及4.42 g甲醛，待攪拌至完全溶解后密封，90℃反應(yīng)并老化4 h。將所得濕凝膠經(jīng)常壓干燥后，置于管式炭化爐中，在氮氣保護下，以3 °C·min-1的速率升溫至目標溫度（600～1000℃），停留2 h后，自然冷卻至室溫得到樣品。根據(jù)目標溫度的不同，樣品分別命名為MCM-Mg-（MCM，mechanically- stable carbon material；600～1000）。

1.3 材料表征及機械強度測試

多孔炭樣品的形貌結(jié)構(gòu)用掃描電子顯微鏡（SEM）及透射電子顯微鏡（TEM）測定，用SEM配套的能量彌散X射線探測器進行能量彌散射線譜（EDS）表征并對所選微區(qū)進行元素組成分析。材料的比表面積和孔結(jié)構(gòu)采用氮氣物理吸附法測定。測試前將樣品在200℃下抽真空處理4 h，然后在液氮溫度（77 K）下測定得到氮氣吸附-脫附等溫線，樣品的比表面積由BET（Brunauer-Emmett-Teller）方程計算得到，微孔比表面積由-plot法確定。微孔孔徑分布通過物理吸附儀Micromeritics ASAP 2020測試，以CO2為探針分子，在液氮溫度77 K下進行。采用等溫線吸附分支數(shù)據(jù)根據(jù)DFT理論計算得到。材料的機械強度測試通過智能強度儀（DL Ⅲ型，大連化工研究院）進行，測試要求樣品上下接觸面平整，長徑比1:1。

1.4 CO2靜態(tài)吸附測試

首先將多孔炭在壓力為5 Pa、200℃下處理2 h，自然冷卻至室溫，再用Micromeritics ASAP 2020物理吸附儀，在指定溫度下進行CO2的吸附測試。吸附熱通過將273 K與298 K下吸附數(shù)據(jù)代入Clausius-Clapeyron方程計算得到。

1.5 多組分動態(tài)穿透分離性能測試

多組分動態(tài)穿透分離性能測試在實驗室自行搭建的氣體動態(tài)分離測試裝置上進行。測試裝置數(shù)據(jù)：床層高度為10 cm、床層填充率約為85%，填充吸附劑物料質(zhì)量為0.25～0.35 g。氣體流量分別為：CO2/N2分離，N2（10 ml·min-1）、CO2（2 ml·min-1）；CH4/CO2分離，CH4（10.8 ml·min-1）、CO2（1.2 ml·min-1）。氣體流速：CO2/N2分離，N2（12.74 cm·min-1）、CO2（2.55 cm·min-1）； CH4/CO2分離，CH4（13.76 cm·min-1）、CO2（1.53 cm·min-1）。

測試前，樣品在95℃下Ar吹掃脫氣2 h，冷卻至25℃。吹掃完成后，將吹掃氣迅速切換成分析氣(CO2/N2或CO2/N2/H2O)，計時并記錄尾氣組成及流速直至吸附達到平衡。2.5%含量水汽的實現(xiàn)：先通過計算得到混合氣帶入2.5%的水汽需要的水的蒸氣壓，再找到該飽和蒸氣壓對應(yīng)的水的溫度，將混合氣通過鼓泡裝置通入該溫度下的水，即可實現(xiàn)2.5%水汽含量的混合氣。

循環(huán)性能測試步驟如下：在設(shè)定吸附溫度（25℃）進行動態(tài)穿透測試，至吸附飽和后，將分析氣迅速切換成常溫常壓、流量為15 ml·min-1的Ar，并檢測尾氣組成至其中CO2濃度低于原料氣CO2濃度的0.1%時，繼續(xù)用Ar吹掃一定時間，完成再生。然后開始下一輪吸附測試，重復上述步驟。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 整體式多孔炭的制備與表征

所制備的整體式多孔炭材料（MCM-Mg）選用間苯二酚和甲醛為炭源，以堿式碳酸鎂為催化劑，經(jīng)90℃凝膠、老化及炭化步驟得到目標材料。實驗發(fā)現(xiàn)，此聚合體系在90℃下僅需30 min即形成凝膠，相比于傳統(tǒng)的碳酸鹽催化(需要幾個小時甚至更長的凝膠時間)[21-22]，堿式碳酸鎂的使用極大提高了反應(yīng)速率。這主要歸因于該體系中高價陽離子Mg2+的存在。酚醛低聚體與金屬離子中間螯合物骨架中正電荷的存在，有利于螯合物的穩(wěn)定，從而有利于甲醛加到酚環(huán)上，促進醚鍵的生成，使反應(yīng)向進一步縮聚形成體相結(jié)構(gòu)的方向進行[21-22]。實驗中采取EDS測試分析了樣品中元素組成，可能由于Mg含量太低，EDS沒有給出Mg信號。但是，體系中含鎂物種的存在可由飽和堿式碳酸鎂水溶液的pH明顯高于去離子水證明。多孔炭制備過程沒有去除含Mg物種的步驟，在最高炭化溫度（1000℃）下，參與反應(yīng)的含Mg物種（如MgO、Mg）也不會揮發(fā)，因此，聚合物及多孔炭理論上含有痕量Mg元素。

典型聚合物及800℃炭化所得的多孔炭樣品（MCM-Mg-800）的光學照片如圖1插圖所示：聚合物及多孔炭均呈現(xiàn)完整的整體式宏觀形貌。聚合物的直徑和高分別為2.80 cm和3.48 cm；多孔炭的直徑和高分別為2.15 cm和2.60 cm，炭化過程徑向與軸向線性收縮分別為23.2%與25.3%。徑向與軸向基本一致的線性收縮表明樣品骨架組成均勻。材料的整體式特性使得MCM-Mg可直接粉碎成適宜的顆粒并制成固定床吸附柱。相比于粉末炭，這種固定床壓降小，無須額外加入黏結(jié)劑，有效避免了黏結(jié)劑堵孔。

圖1 聚合物、MCM-Mg-800的SEM圖與光學照片及MCM-Mg-800的TEM圖

為了觀察材料的形貌及結(jié)構(gòu)，對所制備聚合物前驅(qū)體及最終炭樣品進行了掃描電鏡和透射電鏡表征。從圖1 (a)可以看出，聚合物具有類似海綿的骨架結(jié)構(gòu)，類球形顆粒相互連接形成了豐富的大孔，孔徑約300～600 nm。經(jīng)800℃炭化后多孔炭材料MCM-Mg-800[圖1 (b)插圖]保持整體式宏觀形貌，且從圖1 (b)、(c)可以看出MCM-Mg-800具有豐富的大孔和微孔結(jié)構(gòu)。進一步，材料機械強度測試表明樣品MCM-Mg-800的軸向抗壓強度高達9.4 MPa，是文獻報道值（0.2 MPa）的47倍[23]，原因可能是酚醛樹脂首先在堿催化下發(fā)生體型縮聚，熱解后所得炭樣品骨架單元排列緊湊，相互交聯(lián)構(gòu) 成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。高機械強度特性可確保材料在高流量氣源沖擊下不粉化，大大延長了吸附劑使用壽命。

2.2 炭化溫度對孔結(jié)構(gòu)的影響

吸附劑的結(jié)構(gòu)直接影響吸附劑性能。為研究樣品孔結(jié)構(gòu)參數(shù)等對吸附性能的影響，本文考察了炭化溫度對樣品孔隙結(jié)構(gòu)的影響，并通過氮氣物理吸附對系列樣品進行結(jié)構(gòu)表征。分別選擇600、700、800、900和1000℃為熱解溫度，制備了5種整體式炭材料（樣品命名為MCM-Mg-，600～1000）。N2吸附-脫附等溫線如圖2所示。等溫線近似為I型等溫線。低壓段吸附量增加趨勢，說明具有豐富微孔，TEM[圖1 (c)]也充分證明了這一點；而高壓段吸附量繼續(xù)增加，并形成H3型滯后環(huán)，這是炭材料骨架顆粒堆積形成的狹縫孔。樣品富含微孔的特性明顯區(qū)別于傳統(tǒng)碳酸鹽催化獲得富含中孔的材料，這與堿式碳酸鎂的作用密切相關(guān)。從氮氣吸/脫附曲線計算得出的吸附劑結(jié)構(gòu)性質(zhì)列于表1，比表面積、孔徑、孔體積結(jié)果符合實際制備的吸附劑性質(zhì)?？梢钥闯觯炕瘻囟仍礁撸?00～900℃），孔隙越發(fā)達，比表面積、微孔比表面積越大，這是高溫下聚合物骨架充分分解所致，炭化收率的逐漸降低可以充分說明這一點。當炭化溫度達到1000℃時，骨架出現(xiàn)收縮，導致孔結(jié)構(gòu)坍塌，使其比表面積和孔容積均明顯降低。

圖2 多孔炭的N2吸附-脫附等溫線

表1 多孔炭的結(jié)構(gòu)參數(shù)及二氧化碳吸附性能

Note:BET—BET surface area,micro—micropore surface area,total—total pore volume,micro—micropore volume,c—carbonization yield.

在前期工作中，曾采用Na2CO3為催化劑，經(jīng)過相同過程（90℃反應(yīng)4 h，800℃炭化）可以制備出比表面積為618 m2·g-1的炭材料（RF-Na2CO3）[24]。與之相比，MCM-Mg-800的比表面積高出160 m2·g-1，micro相比RF-Na2CO3增加了23%。顯然，和部分傳統(tǒng)碳酸鹽催化合成的炭材料相比[25]，該合成路線不僅大大縮短了制備周期，且堿式碳酸鎂制備的多孔炭MCM-Mg孔隙更加發(fā)達。MCM-Mg具有大孔-微孔串聯(lián)的孔道系統(tǒng)以及豐富的微孔，兼顧高機械強度及整體式特點，推測該系列材料具有良好的CO2吸附分離性能。

2.3 CO2靜態(tài)平衡吸附分離性能

根據(jù)圖3 (a)插圖中樣品的微孔孔徑分布可以看出，樣品的微孔孔道集中分布在0.5～0.9 nm區(qū)間，這種適宜尺寸的微孔孔道有利于CO2分子的高效吸附，而貫通的大孔-微孔串聯(lián)的孔道有利于提高材料的傳質(zhì)與吸附過程?；跇悠返呢S富微孔及高比表面積特性，測試了樣品的二氧化碳靜態(tài)平衡吸附性能。MCM-Mg在273 K的CO2吸附等溫線如圖3 (a)所示。隨著炭化溫度升高（600～900℃），樣品在0.1 MPa的吸附量逐漸增加。其中，MCM-Mg-900吸附量達4.50 mmol·g-1，明顯高于Na2CO3催化的CX-500（約3 mmol·g-1）。該吸附能力也優(yōu)于氮摻雜多孔炭NPC-40-800等未活化的材料（表2）。0.015 MPa（典型煙道氣的CO2分壓）下MCM-Mg-900的CO2吸附量為1.87 mmol·g-1，說明MCM-Mg可用于含CO2混合氣源的吸附分離。當樣品炭化溫度達到1000℃，其CO2吸附量明顯降低。298 K下吸附量和上述規(guī)律完全一致[圖3 (b)]。其中MCM-Mg-900在該條件下的CO2吸附量達3.19 mmol·g-1，超出了相同測試條件下文獻報道的多種炭材料的吸附能力[26-27]。

圖3 多孔炭CO2吸附等溫線

為考察孔結(jié)構(gòu)等參數(shù)對樣品吸附性能的影響，測試了不同覆蓋度下樣品的CO2吸附熱。如圖4所示，MCM-Mg-1000的吸附熱與其他樣品有明顯差別，原因推測為1000℃高溫處理更利于消除材料的表面缺陷、降低比表面積，從而導致CO2吸附勢下降。在吸附量較低時，MCM-Mg吸附熱分布在17.5～27.5 kJ·mol-1之間，屬于典型的物理吸附。對MCM-Mg-900進行能量彌散X射線譜測試發(fā)現(xiàn)無明顯的Mg元素信號，C和O的元素組成質(zhì)量分數(shù)為91.25%和8.75%，進一步證明了材料的物理吸附作用，這和堿式碳酸鎂的低溶解度有關(guān)。在該吸附機理下，材料與CO2分子間化學相互作用微弱，因此，CO2吸附性能主要由材料孔結(jié)構(gòu)決定。本文以MCM-Mg在0.1 MPa下CO2的吸附量為縱坐標，以微孔比表面積micro為橫坐標作圖（圖5）。為了確保擬合的物理意義，人為使擬合直線通過（0,0）?？梢钥闯?，273 K和298 K吸附量和micro的線性擬合因子2分別達0.9921和0.9839。因此可認為材料CO2吸附量和micro線性相關(guān)，即MCM-Mg的微孔比表面積越大，其吸附量越高，充分證明了微孔在CO2吸附中的主導作用。

圖4 不同CO2吸附量下的吸附熱

圖5 CO2吸附量和微孔比表面積的關(guān)系

考慮到微孔對CO2吸附的重要性，評價材料的微孔比表面積利用率（microCO2capacity/micro）很有必要。目前，大量研究工作集中在通過物理或化學活化方法，利用KOH、H2O、CO2等對材料表面進行刻蝕而產(chǎn)生微孔，提高其吸附量。部分活化后炭的微孔比表面積利用率見表2。如KOH活化得到的CSA-800具有高達1704.8 m2·g-1的微孔比表面積，273 K下的吸附量也高達6.6 mmol·g-1，其單位微孔比表面積可吸附3.87 μmol CO2。本文以MCM-Mg-900為例，計算其單位微孔比表面積可吸附7.15 μmol CO2，盡管其微孔比表面積只有CSA-800的約35%，但每平方米微孔面積的吸附量卻達到CSA-800的1.85倍，也超過了其他大部分活化多孔炭。這證明MCM-Mg具有很高的微孔比表面積利用率。原因推測是活化通常由表面向內(nèi)部進行，隨著活化的進行，包括材料固有的和活化初步產(chǎn)生的微孔不斷擴孔，往往從小尺寸發(fā)展為大尺寸微孔。盡管微孔增多，微孔比表面積增大，但過大的微孔孔徑反而削弱了CO2在表面的吸附勢；而MCM-Mg在炭化過程中，聚合物骨架和催化劑分解產(chǎn)生的小分子都是由內(nèi)而外釋放，形成適宜CO2吸附的孔道后，不會進一步發(fā)生擴孔效應(yīng)，從而表現(xiàn)出高的微孔比表面積利用率。此外，樣品中豐富的大孔使CO2更容易擴散至微孔內(nèi)部，也對micro有一定貢獻。

表2 多孔炭結(jié)構(gòu)參數(shù)、CO2吸附性能及微孔比表面積利用率比較

①N—prepare without activation, Y—prepare with activation; ②Determined by-plot method if not specified; ③Determined by NLDFT method; ④Determined by QSDFT method; ⑤Estimation from CO2adsorption-desorption isotherms.

2.4 多組分動態(tài)穿透分離性能

為模擬材料真實情況下的吸附分離能力，本文以CO2/N2（15:85）混合氣作為氣源，測試材料在298 K下的多組分動態(tài)穿透分離性能，結(jié)果如圖6 (a)所示?；旌蠚怏w通入吸附柱后5 min可在尾氣中率先檢測到N2，直到29 min才能檢測到CO2，表明吸附劑可以實現(xiàn)CO2和N2的完全分離。該條件下CO2的飽和吸附量為0.95 mmol·g-1，與1.53×104Pa下的靜態(tài)平衡吸附量（1.15 mmol·g-1）相近，表明動態(tài)條件下材料的CO2吸附性能并無明顯降低。此外，由于炭材料的疏水特性，吸附飽和的吸附劑不需要預(yù)除水或變溫除水，而經(jīng)過常溫惰性氣體吹掃即可實現(xiàn)再生。該炭質(zhì)吸附劑的溫和再生條件明顯優(yōu)于分子篩[37]、MOFs[38]的真空高溫再生。在該條件下，經(jīng)過10輪循環(huán)[圖6 (b)]，材料的CO2吸附量均保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生明顯衰減。MCM-Mg-900也表現(xiàn)出相似的吸附分離行為[圖6 (c)]，CO2飽和吸附量為0.78 mmol·g-1，略低于樣品MCM-Mg-800的動態(tài)飽和吸附量，這是由于動態(tài)條件下計算飽和吸附量壓力低于靜態(tài)吸附的壓力，造成MCM-Mg-900的豐富微孔不能被充分利用。經(jīng)過10輪循環(huán)后，吸附分離性能基本維持不變[圖6 (d)]。向混合氣中引入微量水汽，以CO2/N2/H2O (15/82.5/2.5)的混合氣為氣源，測得MCM-Mg-800在該條件下CO2的吸附量為0.94 mmol·g-1，和無水汽的0.95 mmol·g-1基本一致，證明MCM-Mg具有良好的耐水汽性能。

圖6 材料的多組分動態(tài)穿透分離性能測試

3 結(jié) 論

（1）以間苯二酚和甲醛作為炭源，利用堿式碳酸鎂的催化作用及易分解特性，經(jīng)快速凝膠及控制炭化制得整體式多孔炭，機械強度達9.4 MPa。該方法具有如下特征：凝膠速度快，30 min即可凝膠；所制備材料孔隙發(fā)達，微孔比表面積大；CO2平衡吸附量高。

（2）考察了炭化溫度對樣品孔結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)熱解溫度越高，孔隙越發(fā)達。但溫度過高時，由于過度熱解導致結(jié)構(gòu)坍塌，其比表面積反而下降。

（3）材料具有大孔-微孔多級孔道以及豐富的微孔，在CO2吸附分離方面具有良好的性能。 273 K、0.1 MPa下CO2的靜態(tài)吸附量最高達4.50 mmol·g-1，單位微孔比表面積可吸附7.15 μmol CO2，超過文獻報道的大部分通過活化法制備的高吸附量炭材料。

（4）多組分動態(tài)穿透實驗表明，該系列材料可以實現(xiàn)模擬煙道氣濃度的CO2/N2的完全分離，僅需在室溫條件下惰性氣體吹掃即可實現(xiàn)再生，同時具有良好的耐水汽性能和循環(huán)吸附-脫附性能，推測MCM-Mg在實際吸附分離領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用 前景。

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Synthesis of porous carbon through polymerization catalyzed by basic magnesium carbonate and their CO2adsorption performance

WANG Enmin, LI Wencui, LEI Cheng, LU Anhui

(State Key Laboratory of Fine Chemicals, School of Chemical Engineering, Dalian University of Technology,Dalian 116024, Liaoning, China)

By taking the advantages of easy decomposition and catalytic function of basic magnesium carbonate, the mechanically stable porous carbon materials (MCM-Mg) are synthesized through rapid gelation of resorcinol with formaldehyde and subsequently carbonization. Compared with samples catalyzed by traditional carbonates, the synthesis process can obtain a well-developed porous structure. The resulted samples can withstand a pressure of up to 9.4 MPa. At 273 K, the equilibrium CO2adsorption capacities of MCM-Mg are in the range of 3.49—4.50 mmol·g-1at 0.1 MPa and can reach 1.87 mmol·g-1at 0.015 MPa. Experimental test of the MCM-Mg shows that the micropores play a major role in contribution of the amount of adsorbed CO2. Importantly, MCM-Mg can adsorb 7.15 μmol CO2permicro, which surpasses most of the carbons prepared by activation. Dynamic breakthrough tests show that over such series of samples, CO2/N2streams can be fully separated. The CO2release is achieved facilely in Ar purge at 298 K. The samples also exhibit stable performance for CO2separation under humid conditions and exhibit good regeneration capability.

porous carbon; CO2capture; basic magnesium carbonate; adsorption; porous media; dynamic breakthrough

10.11949/j.issn.0438-1157.20141744

TQ 028

國家杰出青年科學基金項目（21225312）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2013CB934104）。

2014-11-25.

Prof. LU Anhui, anhuilu@dlut.edu.cn

supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars (21225312) and the National Basic Research Program of China (2013CB934104).

A

0438—1157（2015）07—2565—08

2014-11-25收到初稿，2015-04-24收到修改稿。

聯(lián)系人：陸安慧。第一作者：王恩民（1990—），男，碩士研究生。