我所提出研究二氧化碳吸附劑再生能量的量熱技術方法

  近日,我所熱化學研究組(DNL1903組)史全研究員團隊和香港科技大學韓偉教授合作,在應用量熱技術評估二氧化碳(CO2)吸附劑再生能量方面取得新進展。合作團隊基于精密熱容測定量熱技術并結合通用熱分析手段,發展了一種準確測定并研究MOFs吸附劑再生能量性質的實驗方法,通過研究UiO-66-X詳細演示了該量熱技術方法的原理及實驗流程,并通過結果展現了該方法的有效性和普適性。

  MOFs作為應用前景廣闊的CO2吸附劑,在碳捕獲和封存研究領域受到研究者們廣泛關注。為了篩選出性能優異且實用的MOFs吸附劑,不僅需要考察其對CO2的吸附性能,還需要有效評估其在再生過程中的能量消耗。然而,吸附劑能量性質評估多采用理論計算或模擬的方法,對一般研究者學習和使用具有很大的難度,因此亟需開發簡單易行的實驗分析方法。

  在熱化學研究組多年量熱技術研究基礎上,本工作中,合作團隊結合精密熱容量熱技術和通用熱分析手段,提出了一種高效且準確的能量評估實驗方法,來研究MOFs吸附劑在變溫再生過程中的能量性質。該方法采用熱重分析手段測定吸附劑吸附和逐步脫附行為來確定CO2最終脫附溫度;利用常溫下的等溫吸附實驗獲得吸附劑CO2吸附量和等量吸附熱;更關鍵的是,利用精密熱容測定量熱技術準確測量吸附劑熱容,并得到了其再生所需的顯熱能量。研究團隊利用該方法準確評估了五種同構但不同官能團修飾的鋯基MOFs(UiO-66-X,其中X = H、NH2、(OH)2、C4H4和NO2)吸附劑再生過程中的能量性質參數,包括再生能耗、CO2循環脫附量和寄生能耗等。實驗結果表明,CO2吸附劑再生能耗主要來源于吸附劑從吸附溫度加熱至脫附溫度所需的顯熱能量;同時,這些UiO-66-X的寄生能耗與CO2循環脫附量存在反比例關系。該技術方法的優點是包含的假設少,且具有高度的分辨率能區分相似MOFs吸附劑能量性質的微小差異,可為研究CO2吸附劑的能量性質提供一種可行且有效的實驗方法。該研究工作展現了經典的量熱技術可準確測量與研究CO2吸附劑等能源材料的能量性質,可為相關能源材料高效轉化與清潔利用提供有力的實驗技術支持。

  相關研究成果以“An Experimental Strategy for Evaluating the Energy Performance of Metal–Organic Framework-Based Carbon Dioxide Adsorbents”為題,于近日發表在《化學工程雜志》(Chemical Engineering Journal)上。該工作的共同第一作者是我所DNL1903組博士研究生羅積鵬和1504組張箭副研究員。上述工作得到中國科學院潔凈能源創新研究院-榆林學院聯合基金、國家自然科學基金、我所創新基金等項目的資助。(文/圖 羅積鵬)

  文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136210

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