南開大學(xué)何良年綠色化學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種基于廢棄生物質(zhì)基富氮多孔碳材料的CO2捕集與原位轉(zhuǎn)化策略。利用固體廢棄物制備應(yīng)用于CO2捕集的碳基材料，被捕集的CO2同時(shí)也被活化，可作為可再生C1資源固定在高附加值化學(xué)品中。該過程同時(shí)實(shí)現(xiàn)了固廢物處理、CO2捕集與資源化利用。作者利用生物質(zhì)廢棄物大豆渣制得多孔富氮生物基碳材料，重點(diǎn)探討了該碳材料對(duì)CO2的吸附機(jī)理。并對(duì)CO2在負(fù)載Zn位點(diǎn)后催化劑上的活化及其與炔丙基胺的原位發(fā)生羧化環(huán)化反應(yīng)進(jìn)行了驗(yàn)證，在CO2捕集基礎(chǔ)上建立將固體廢棄物處理和CO2高附加值化結(jié)合起來的巧妙策略。
自工業(yè)革命以來，化石燃料大量使用導(dǎo)致CO2的過度排放，打破了自然界原有的碳平衡，導(dǎo)致一系列環(huán)境問題。為應(yīng)對(duì)氣候變化，CO2的捕集與儲(chǔ)存（Carbon Capture and Storage, CCS）作為大規(guī)模負(fù)碳技術(shù)之一迅速發(fā)展。不過，CCS技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用面臨著能耗以及經(jīng)濟(jì)性的挑戰(zhàn)。在當(dāng)前“雙碳目標(biāo)”下，我們率先提出的CO2捕集與利用（Carbon Capture and Utilization, CCU）策略，備受關(guān)注，尤其是CO2的捕集與原位轉(zhuǎn)化策略能避免高能耗的脫附過程（吸附劑的回收），將捕集（活化）的CO2原位轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品、材料及能源分子。另一方面，固體廢棄物的處理與回收利用，也是富有挑戰(zhàn)的課題，固廢物的不當(dāng)處理會(huì)導(dǎo)致了一系列次生環(huán)境問題。因此，將固體廢棄物的處理及其資源化、與CCU相結(jié)合，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)了固廢物與溫室氣體CO2的利用并獲得有價(jià)值的產(chǎn)品。 作者以儲(chǔ)量豐富且丞待解決的固體生物基廢棄物為吸附劑和催化劑前體實(shí)現(xiàn)CO2的捕集與原位轉(zhuǎn)化。 以生物質(zhì)大豆渣為前驅(qū)體，制備了一系列具有高比表面積和孔體積的生物質(zhì)基富氮多孔碳材料；其超微孔和結(jié)構(gòu)多種含氮物種提供了較高的CO2吸附能力，含氮基團(tuán)以吡啶-N、吡咯-N等不同形式分散于碳骨架中，且超微孔與含氮基團(tuán)的協(xié)同作用使材料表現(xiàn)出優(yōu)異的CO2吸附容量。盡管材料對(duì)CO2的吸附以物理吸附為主，但發(fā)現(xiàn)碳骨架中的多種含氮基團(tuán)具有捕集與活化CO2的能力。通過固體13C核磁共振測(cè)試證明了含氮基團(tuán)如吡啶-N和吡咯-N與CO2的相互作用，捕獲的CO2可能以氨基甲酸酯的形式被活化。這意味著可以基于此，實(shí)現(xiàn)CO2捕集與原位轉(zhuǎn)化。 以此材料為載體，通過引入ZnII催化中心成功實(shí)現(xiàn)了炔丙基胺與CO2的羧化環(huán)化反應(yīng)獲得高附加值產(chǎn)物噁唑啉酮產(chǎn)物。這種原位轉(zhuǎn)化的方式降低了反應(yīng)能量勢(shì)壘，避免CO2解吸過程中的能量消耗。該過程CO2易于計(jì)量且操作方便，在溫和條件下即可實(shí)現(xiàn)CO2的轉(zhuǎn)化，同時(shí)避免了碳捕集與儲(chǔ)存過程大量的能量消耗，降低了反應(yīng)能壘，以可持續(xù)、環(huán)境友好、低能耗的方式為溫室氣體減排與固廢處理及高值化開辟了新途徑。 論文信息 Biomass-based N-rich Porous Carbon Materials for CO2 Capture and in situ Conversion Wei-Hang Xie, Xiangyang Yao, Heng Li, Hong-Ru Li, Liang-Nian He 文章的第一作者是南開大學(xué)的碩士研究生解偉航 ChemSusChem DOI: 10.1002/cssc.202201004 
