氧空位增强的CeO2/SBA-15纳米复合材料在CO2吸附中的关键作用及机制研究

这篇研究通过直接合成（DS）和后合成（PS）方法制备了SBA-15:CeO2纳米复合材料，揭示了氧空位（O.V.）对CO2吸附-脱附动力学的关键影响。结果表明，DS法显著提高了CeO2框架中的氧空位浓度和结构缺陷，使S_Ce4.a在25°C下达到29.4 mg g?1的吸附容量，并展现出优异的循环稳定性（20次循环）。研究为设计高效CO2捕获材料提供了新思路。

　　

引言

自工业革命以来，温室气体（GHGs）排放导致地球气候系统显著失衡，其中CO₂浓度已升至工业前水平的149%。2015年《巴黎协定》提出将全球温升控制在1.5°C内的目标，而碳捕获技术（CCS/CCU）成为关键解决方案之一。传统胺基吸附剂存在腐蚀性、高成本等缺陷，而本研究聚焦于无机金属氧化物修饰的介孔二氧化硅SBA-15，通过引入CeO₂的氧空位特性，开发高效CO₂吸附材料。

实验方法

研究采用直接合成（DS）和后合成（PS）两种方法制备含4%和10% CeO₂的SBA-15纳米复合材料（分别命名为S_Ce4.a/b和S_Ce10.a/b）。通过SAXS、XRD、XPS、Raman等技术表征材料结构，并测试25-70°C下的CO₂吸附性能。

结果与讨论

结构特性

SAXS显示所有材料均保持SBA-15的二维六方介孔结构（空间群p6mm）。DS法合成的S_Ce10.a因盐溶效应表现出更大的晶格参数（12.0 nm vs PS法的11.4 nm）。XPS证实DS材料具有更高Ce³⁺/Ce⁴⁺比例（S_Ce4.a达43%），表明更多氧空位形成。Raman光谱中460 cm^?1处F_2g峰展宽进一步佐证了结构缺陷的存在。

吸附性能

S_Ce4.a在25°C展现最高吸附容量（29.4 mg g^?1），较纯SBA-15（17.1 mg g^?1）提升72%。氧空位浓度与吸附容量呈正相关：S_Ce4.a（43%）> S_Ce10.a（39%）> S_Ce4.b（35%）> S_Ce10.b（27%）。升温至70°C时，吸附量降至10.7 mg g^?1，但脱附率提升至97%，证实以物理吸附为主导机制。

循环稳定性

20次吸附-脱附循环测试表明，S_Ce4.a和S_Ce10.a的吸附容量分别从24 mg g^?1和19 mg g^?1小幅下降至21 mg g^?1和16 mg g^?1，归因于少量CO₂在氧空位位点的强吸附。

结论

该研究创新性地通过调控合成方法在CeO₂中构建氧空位，显著提升SBA-15的CO₂吸附性能。DS法合成的低铈含量材料（4%）展现出最佳平衡：高比表面积（621 m² g^?1）、大孔体积（1.34 cm³ g^?1）和丰富氧空位。研究成果为开发兼具高吸附容量和低温再生特性的CO₂捕获材料提供了新策略，同时为CeO₂基催化剂设计奠定基础。未来研究可探索该材料在CO₂催化转化中的协同应用。