熔融盐促进MgO中温CO2捕集的优化与失活机制研究

为解决MgO基吸附剂在烟气(15% CO2)中碳化动力学缓慢和稳定性差的问题，清华大学团队通过引入Na2CO3/NaNO3复合熔融盐，开发出在275℃下CO2吸附量达19.9 mmol/g的高效吸附剂。研究发现Na2CO3通过形成Na2Mg(CO3)2成核位点使碳化速率提升8倍，但HAXPES揭示的熔盐亚表面聚集现象为稳定性优化提供了新方向。

　　

在全球气候变暖加剧的背景下，碳捕集与封存(CCUS)技术成为应对CO₂排放的关键策略。其中，氧化镁(MgO)因其高理论吸附容量(25 mmol/g)和低成本被视为理想吸附剂，但原始MgO在200-400℃中温区间面临碳化动力学缓慢、CO₂扩散性差等瓶颈。更棘手的是，实际烟气环境中15%的低CO₂浓度会进一步劣化性能，而现有研究多聚焦纯CO₂条件。如何通过材料设计突破这些限制，成为该领域亟待解决的科学问题。

清华大学Zhou Hui团队在《Carbon Capture Science》发表的研究中，创新性地采用Na₂CO₃/NaNO₃复合熔融盐修饰MgO，通过系统优化配比和反应条件，实现了烟气环境下高效稳定的CO₂捕集。研究团队首先通过水热法合成介孔MgO载体，采用湿法浸渍引入不同比例的Na₂CO₃和NaNO₃。借助热重分析(TGA)评估吸附性能，结合原位X射线衍射(XRD)和硬X射线光电子能谱(HAXPES)等先进表征手段，揭示了熔融盐促进机制和失活原因。

3.1 吸附剂表征

介孔MgO通过尿素辅助水热法合成，呈现独特的微棒状形貌，比表面积达151 m²/g。熔融盐负载后，BET分析显示孔体积从0.4 cm³/g降至0.23 cm³/g，证实盐类占据了孔隙空间。XRD显示Na₂CO₃的引入导致33.5°处出现Na₂Mg(CO₃)₂特征峰，这成为后续性能提升的关键。

3.2 CO₂吸附行为

在275℃、15% CO₂条件下，含15 mol%总盐量(Na₂CO₃:NaNO₃=1:4)的样品展现出19.9 mmol/g的吸附容量，较纯NaNO₃促进样品提升88%。动力学分析表明，Na₂CO₃使初期吸附速率从0.47 mmol/g/min提升至0.65 mmol/g/min，90%容量在45分钟内即可达成。

3.3 吸附机制

通过原位XRD和TGA联用，首次观察到三阶段碳化过程：1) 表面快速形成单齿MgCO₃层；2) 熔融盐介导的快速碳化阶段，Na₂Mg(CO₃)₂作为成核位点促进MgCO₃结晶；3) 扩散限制阶段。Na₂CO₃的加入使第二阶段速率提升8倍，这归因于其提供的额外CO₃^2-源和降低的成核能垒。

3.4 脱附行为与循环稳定性

400℃脱附可在30分钟内实现90%的CO₂释放，但循环测试显示吸附容量从17.1 mmol/g骤降至1.0 mmol/g。HAXPES深度剖析发现，循环后亚表层Na/Mg比从0.28增至0.46，表明熔融盐向体相迁移聚集导致活性位点被覆盖，这是性能衰减的主因。

这项研究不仅阐明了复合熔融盐的协同促进机制，还通过多尺度表征揭示了烧结和盐相分离两大失活途径。尽管循环稳定性仍需改善，但提出的Na₂Mg(CO₃)₂成核机制为设计高效中温吸附剂提供了新思路。未来通过构建抗烧结载体或引入热稳定框架，有望推动MgO基材料在实际烟气处理中的应用。