近日，我院段伦博教授低碳能源课题组在国际环境领域顶级期刊Environmental Science & Technology（IF=6.653）上发表了题为“Accurate Control of Cage-Like CaO Hollow Microspheres for Enhanced CO2 Capture in Calcium Looping via a Template-assisted Synthesis Approach”的论文。论文的第一作者为2017级博士研究生陈健，段伦博教授为该论文的唯一通讯作者。
钙循环工艺（Calcium looping process）是目前公认的最有前景的CO2捕集技术之一。然而，钙基吸收剂在高温下容易烧结，导致CO2捕集性能会随着循环次数的增加而急剧衰减，这已经成为了限制钙循环工艺进一步发展的主要障碍。如何延缓钙基吸收剂的烧结，提高钙基吸收剂的循环稳定性，这已经成为了钙循环工艺的研究热点。
三维中空材料由于其独特的结构和可控的形貌，是目前功能材料合成领域的研究热点。课题组将中空结构与传统钙基吸收剂相结合，采用模板辅助法制备笼状CaO中空微球（无惰性支撑体添加），进而改善钙基吸收剂的CO2捕集性能。一方面中空结构可以显著提高吸收剂的比表面积，为反应提供更多的活性位点，提升吸收剂的CO2吸附速率；另一方面其内部的空心区间可以承受煅烧/碳酸化循环反应过程中产生的应力，提高吸收剂的循环稳定性。
课题组首先采用水热法制备了碳质微球模板，系统研究了合成参数对碳质微球模板形貌、粒径等理化性质的影响，获得碳质微球模板最佳的合成参数。然后在尿素辅助下，对碳质微球模板表面进行了Ca元素的沉积，最终通过煅烧去除模板，获得了笼状CaO中空微球。随后，在热重分析仪上测试了CaO中空微球的CO2捕集性能。可以发现，苛刻条件下CaO中空微球的首次碳酸化转化率高达82.5%（碳酸化反应历时15min），而在3min内碳酸化转化率就达到了69.4%，占首次总转化率的84.1%。这说明了中空结构可以显著提升吸收剂的CO2吸附速率。此外，CaO中空微球15次循环实验后的碳酸化转化率仍可保持在39.7%，与石灰石相比提高了148.1%。这说明了中空结构可以显著提高钙基吸收剂的循环稳定性。通过对碳酸化过程的动力学计算，可以发现中空结构可以显著降低碳酸化反应活化能。
以上工作受到了国家重点研发计划项目的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.est.8b06138