生物炭-沸石复合材料的界面强化与蒸汽协同调控策略：面向工业VOCs高效吸附的孔道构建与脱铝机制

【编辑推荐】本研究创新性地通过表面氧化策略构建电荷辅助氢键（CAHB），强化生物炭与聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）的界面结合，并采用高温蒸汽后处理同步实现沸石脱铝（Si/Al比从3.30提升至4.82）和生物炭孔道重构（比表面积从79.74增至387.05 m2/g），最终开发的复合材料对VOCs吸附容量提升1.52-4.64倍，为工业废气治理提供了兼具高硅沸石性能与分级孔结构的解决方案。

　　

Highlight

本研究利用低孔隙生物炭避免季铵盐（Quats）的孔道阻塞，通过表面氧化引入羧基（-COOH）和羟基（-OH）构建电荷辅助氢键（CAHB），使PDDA与生物炭的结合能从-81.32 kcal/mol显著提升至-91.06 kcal/mol。优化条件下（6 wt%生物炭+0.4 wt%晶种，100°C水热结晶6小时），成功实现沸石静电自组装。

Verification of CAHB formation and strengthening effect

非活性生物炭与季铵盐的弱静电作用通过CAHB机制突破：预氧化生物炭表面富集的氧功能基团解离产生负电荷位点，与PDDA的季铵基团（N⁺）形成N⁺–C–H?O^?强氢键网络。FT-IR显示1620 cm^-1处CAHB特征峰，XPS证实C=O含量增加37.8%，分子动力学模拟揭示界面能降低19.3%。

Conclusions

高温蒸汽后处理（700°C，3 h，4 mL/min）同步实现沸石脱铝（Si/Al比↑46.1%）和生物炭活化（比表面积↑385%），构建分级孔网络。复合材料对苯系物和醛类的吸附量达单组分的1.52-4.64倍，为工业VOCs治理提供"高硅沸石+大孔生物炭"协同解决方案。