【CO2捕获】SPT：使用含有石墨烯的低共熔溶剂的高效太阳能驱动温室二氧化碳捕获系统

【论文链接】

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125754

【作者单位】

上海工业大学等

【论文摘要】

随着光合作用的进行，温室内二氧化碳浓度迅速下降，严重影响作物生长。针对现有CO₂补充方法存在的复杂系统、高能耗和安全问题等普遍局限性，在目前的工作中首次提出了一种新型的“太阳能驱动CO₂捕获系统”，该系统将高光热转换材料被加入到深共晶溶剂(DES)中。该纳米流体系统旨在提高系统温度，促进解吸过程，促进CO₂吸收-解吸循环。以不同质量分数的还原氧化石墨烯(RGO)制备的石墨烯纳米流体(GNF)可以提高二氧化碳的吸收能力。结果表明，氧化石墨烯对CO₂的吸附能力从0.286 g/g提高到0.399 g/g，这是由于氧化石墨烯表面提供了丰富的吸附位点来捕获CO₂。此外，RGO的加入提高了DES的光热转换性能。在1000 W/m²的辐照下，DES-500 (DES中加入500 ppm RGO)的最大光热转换效率为94.3%，最高温度为75.9℃；纯DES分别为32.7%和54.7℃。值得注意的是，GNF还具有良好的可回收性，可以有效调节温室内的CO₂浓度，保证作物的正常生长发育。

【实验方法】

DES-X的制备：

本文开发了一种新型离子液体类似物，即基于ChCl-MEA的深共晶溶剂(DES)。以ChCl为氢键受体(HBA)，MEA为氢键给体(HBD)，按1:7的摩尔比称重，置于烧杯中。最初，ChCl和MEA精确地称重并在烧杯中混合。随后，将混合物置于85°C的水浴中搅拌2小时，直到获得透明溶液，记为ChCl-MEA深共晶溶剂(DES)。为了制备不同质量分数的RGO，将RGO直接分散在纯DES中，质量分数为100 ~ 600ppm，命名为DES-X (X代表RGO浓度)。分散过程包括30分钟的超声处理。

【图文摘取】

【主要结论】

虽然纯DES具有很强的CO₂吸收能力，但其较低的光热转换效率阻碍了其在光存在下达到必要的解吸温度。利用RGO卓越的光热转换能力，本研究采用纯DES作为基液。我们制备了不同质量分数(100 ppm、200 ppm、300 ppm、400 ppm、500 ppm、600 ppm)的GNF，并评估了它们的性能。主要研究结果总结如下：

(i) RGO的加入显著提高了纳米流体的光热转换效率，DES-500的光效率达到94.3%，是纯DES的2.9倍。此外，当暴露在阳光下时，纳米流体的温度从54.7℃显著升高到75.9℃，能够有效地解吸CO₂。

(ii) 还原氧化石墨烯表面的缺陷位点和活化位点为CO₂提供了大量的吸附位点。其中DES-500的吸收容量最高，为0.399 g/g，是纯DES的1.4倍。

(iii) 由于DES-500出色的光热转换效率和二氧化碳吸收解吸能力，在温室环境中显示出巨大的应用潜力。在白天，随着温室内温度的逐渐升高，DES-500在较长一段时间内促进二氧化碳的逐渐释放，有利于作物生长。相反，在夜间气温下降时，DES-500主动吸收作物释放的二氧化碳，确保了二氧化碳的高效利用。

(iii) 温室内相对湿度对DES-500的CO₂吸收能力也有显著影响。较高的相对湿度有利于CO₂的吸收。当湿度为80% RH时，CO₂吸收量可达0.65 g/g，是50% RH时的1.4倍。