【科研摘要】
胺基酸鹽（AAS）具有極低的毒性，可忽略不計的揮發性和良好的吸收能力，是一類很有前景的綠色CO2捕集材料。然而，緩慢的吸收動力學和顯著的再生能量需求阻礙了其廣泛的應用。中國地質大學許星光副教授協調澳大利亞科廷科技大學Colin D. Wood教授團隊首次提出將AAS封裝到固體聚合物基質中，以簡單地製備可擴展材料，即液態AAS水凝膠顆粒（LAHP），用於碳捕獲。相關論文Next generation amino acid technology for CO2 capture發表在《Journal of Materials Chemistry A》上。由於擴大了接觸面積，CO2與AAS之間的相互作用更加強烈，因此吸收率顯著提高。同時，與攪拌的AAS水溶液相比，LAHP的二氧化碳吸收平均提高了40％。
此外，突破性實驗表明，LAHP具有足夠的動力學和容量特性，可用於許多領域，例如燃燒後捕集（15.0體積％CO2），從封閉系統中清除CO2（例如，潛艇中0.5至1.0體積％CO2）和直接空氣捕獲二氧化碳，吸收值分別為62.8、53.1和42.4 mg g-1吸收劑。對於再生，低級蒸汽被證明是LAHPs再生的有效熱源，如果容易獲得廢工業蒸汽，則可以顯著降低總能源成本。作者還探索了用較高沸點的極性溶劑（例如乙二醇）代替水。可以將肌氨酸鉀鉀在乙二醇中的30重量％溶液注入到交聯的聚（N-羥乙基丙烯醯胺）水凝膠中。此外，通過使用較高沸點的溶劑（即乙二醇），可以在60℃，真空60分鐘的溶劑損失最小的情況下再生吸附劑。分別獲得了36.5 mg g-1吸收劑（11個吸附-再生循環的平均值）和18.7 mg g-1吸收劑的純淨二氧化碳和空氣的CO2吸收能力。儘管LAHPs的二氧化碳吸收量不是最高的報導之一，但這種方法的簡單性可能會激發出基於AAS的二氧化碳吸收劑設計的想法，這種吸收劑綠色環保，用途廣泛，易於擴展且經濟可再生。
【圖文解析】
水凝膠是親水性聚合物的交聯網絡，能夠容納大量的水和其他極性溶劑。這些材料的出色吸水能力已導致在廣泛領域中的應用，包括組織工程，藥物輸送，化妝品，傷口護理和牙科。因此，水凝膠代表了近年來最有趣和用途最廣泛的材料之一。在先前工作中，作者報導了在環境條件下水凝膠在改善CO2吸收動力學和胺基吸收劑容量方面的應用。但是，這些水凝膠材料在稀釋源（CO2濃度低於1.0 vol％）中的性能尚不清楚，並且幾乎無法測量動態（實際工業條件）下的吸收率。同時，將對流加熱或微波加熱用於吸收劑再生需要非常高的能量輸入，因此經濟的再生策略值得研究。
作者提出了對「液態AAS水凝膠顆粒」（LAHPs）的研究，作為一種新型的CO2吸收劑，它可以捕獲來自各種來源的CO2。通過在AAS溶液中添加環保的SAP顆粒並輕輕攪拌混合物，可以在20分鐘內輕鬆製備LAHP。通過這種方式，AAS溶液被鎖定在水凝膠顆粒中，從而在CO2/AAS相互作用之間形成較大的接觸面積，從而提高了吸收率，同時將溶劑損失降至最低（圖1）。同時，CO2與AAS反應可能產生的固體沉澱將被限制在水凝膠網絡中，以克服可能產生的有害影響。因此，預期所提出的LAHP將克服AAS解決方案的顯著缺點（例如動力學差），同時保持如上所述的內在優勢。通過突破性實驗，LAHPs表現出出色的能力，可以有效地從氣流中捕獲CO2（模擬廢氣），1.0（模擬封閉區域的濃度）和0.04％（體積）的CO2（模擬大氣），這顯示了其在各種應用中的潛力。此外，可以使用工業廢廢料來再生CO2飽和的LAHP，從而大大降低了總體能源成本。Liu等人的研究表明，聚乙二醇中的N-烷基甘氨酸鹽（分子量為150或PEG150）在N2下的再生溫度低至40°C，在沒有N2的情況下再生溫度低至90°C。此外，它們還證明了等摩爾的CO2吸收和再生能力，而不會損失二氧化碳。同樣，作者還探討了是否可以將非水性胺基酸鹽溶液（例如溶解在乙二醇中的胺基酸鹽溶液）摻入水凝膠中，以實現可用於CO2捕獲和直接空氣捕獲並通過再生的CO2吸附劑材料。加熱（即在真空中60°C加熱1小時），而溶劑損失最少。作者認為，當前的工作可能會為基於AAS的環保，有效和節能平臺的實際二氧化碳捕集開發提供見識。
圖1製備LAHP的示意圖，LAHP吸收CO2和LAHP脫附CO2的示意圖。
2.實驗部分
2.1材料和化學品
所有化學品和材料均從商業渠道獲得，並按原樣使用。胺基酸，絲氨酸，2-甲基丙氨酸，l-脯氨酸，賴氨酸和甘氨酸是從Sigma-Aldrich購買。它們的分子結構如圖2所示。MerckChemicals提供了氫氧化鉀（KOH）顆粒（純度約85％）和氫氧化鈉（NaOH）顆粒。CO2氣體，N2，CO2/N2氣體混合物（在N2平衡中為1.0％和15.0 vol％的CO2）和氬氣（Ar）購自澳大利亞中銀。從DuluxGroup Pty.Ltd。獲得了能夠吸收高達自身重量400倍於水的聚丙烯醯胺/聚（丙烯酸鈉）超吸收劑（SAP）水凝膠。對於合成交聯的聚（N-羥乙基丙烯醯胺）（PHEAA），N-羥乙基丙烯醯胺（HEAA），N-N'-亞甲基雙（丙烯醯胺）（MBAA），N，N 使用了N，N′-四甲基二氨基甲烷（TMEDA）和過硫酸鉀（99％）。蒸餾水用於製備胺基酸鹽水溶液和用於該研究的聚合溶液。使用乙二醇（99％）配製非水性AAS溶液。
圖2研究的胺基酸的化學結構和pKa。
2.3在純二氧化碳氣氛中吸收二氧化碳
將已知量的所需吸附劑添加到小瓶中，然後密封，將總重量記錄為W1。隨後，將接近大氣壓的CO2流通過針頭/隔膜收集到容器中。第二個針用作排氣孔，使氣體自由流過水凝膠顆粒。在一定的CO2注入時間，總容器重量記錄為W2，因此可以通過W2與W1之差來確定CO2吸收量。為了比較，還通過將CO2氣體直接鼓入AAS溶液（通過磁力攪拌劇烈攪拌）來確定AAS溶液中的CO2吸收量。所有的二氧化碳吸收實驗均在環境溫度條件下進行。
2.4合成廢氣中的CO2吸收（N2平衡中的CO2為15.0 vol％）
實時氣體分析儀（RGA）用於評估LAHP在燃燒後捕集的能力。該裝置的示意圖如圖3所示。將大約130 g肌氨酸鉀注入的LAHPs裝入測試柱（25×630 mm）中，然後用Ar氣吹掃30分鐘，直到所有殘留空氣已從測試系統中刪除。隨後以130 mL min-1的速度連續注入合成煙氣。由於強烈的CO2/AAS相互作用，LAHP將CO2氣體從氣流中汽提出來，而N2組分很容易通過色譜柱。每8分鐘通過氣相色譜儀（Agilent 7890A）對出口氣體進行採樣，並通過軟體實時自動分析和記錄組成。實驗是在環境溫度和1.0 bar表壓下進行的。所有氣體流速均使用Bios體積流量計校準。
圖3突破性實驗的實驗裝置。
2.5稀釋源吸收的二氧化碳
在許多情況下，必須從稀釋源（CO2濃度低於1.0％）中除去CO2。尤其是，CO2的直接空氣捕獲（DAC）被視為緩解大氣中CO2的重要方法。為了測試LAHP在低或極低的CO2分壓下的CO2吸收性能，在突破性實驗中，將1.0體積％的CO2/N2混合物和環境空氣用作進料氣。除了使用高靈敏度氣體檢測器（Licor 840 CO2分析儀）來確定流出氣流中的低CO2水平外，該設置與圖3中所示的設置相似。
2.6通過蒸汽加熱再生LAHP
為了使CO2吸收劑實用且在工業上具有實用性，應在需要最少能量的情況下方便地對其進行回收。考慮到其出色的吸水能力，工業廢蒸汽可作為LAHP再生的經濟熱源。在該文中，使用蒸汽檢查了LAHP的可回收性，這模仿了將工業廢蒸汽作為一種快速節能的再生策略的可能性。示意圖和再生過程如圖4所示。將大約2 g的CO2飽和的LAHP（30.0 wt％的肌氨酸鉀，每克AAS溶液使用0.2克水凝膠用於LAHP）裝入樣品柱中。連接到水箱。烘箱溫度在環境壓力條件下設置為120°C。樣品通過蒸汽加熱30分鐘並冷卻至室溫，然後再次進行CO2吸收實驗。總共進行了十次吸收/解吸循環，以評估LAHP的可回收性。
圖4使用蒸汽再生LAHP的實驗裝置。
參考文獻：
doi.org/10.1039/D0TA10583J
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