近日，我院段伦博教授低碳能源课题组在材料领域著名学术刊物Journal of Materials Chemistry A（IF=10.733）上发表了题为“A Facile One-Pot Synthesis of CaO/CuO Hollow Microspheres Featuring Highly Porous Shells for Enhanced CO2 Capture in Combined Ca-Cu Looping Process via a Template-Free Synthesis Approach”的论文，并且该论文入选了该期刊2019年的热点论文集（2019 Journal of Materials Chemistry A HOT Papers）。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。
钙铜联合循环工艺（Combined Calcium Looping and Chemical Looping Combustion）是一种新型的CO2捕集技术。该技术将传统钙循环技术与化学链燃烧工艺相结合，利用钙铜复合吸收剂中铜基氧载体还原反应所释放的热量原位煅烧钙基吸收剂，实现钙基吸收剂的再生。然而，由于铜基氧载体的存在，钙铜复合吸收剂在高温下更容易烧结，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铜联合循环工艺进一步发展的主要障碍。如何延缓钙铜复合吸收剂的烧结，提高钙铜复合吸收剂的循环稳定性，这已经成为了钙铜联合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钙铜复合吸收剂相结合，采用无模板法制备钙铜中空微球（无惰性支撑体添加），进而改善钙铜复合吸收剂的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循环煅烧/还原-氧化-碳酸化反应过程中产生的应力，提高吸收剂的循环稳定性。
课题组采用基于奥氏熟化机理的无模板法制备了表面多孔且元素均匀分布的钙铜中空微球，系统研究了前驱体浓度、水热温度、水热反应时间等合成参数对钙铜中空微球形貌和结构的影响，获得了钙铜中空微球最佳的合成参数。随后在固定床反应器上测试了钙铜中空微球的循环性能。可以发现，中空结构显著提升了钙铜复合吸收剂的CO2捕集性能。钙铜中空微球的首次碳酸化率高达65.5%。经历10次循环后，钙铜中空微球的CO2捕集性能相比于湿法混合法、共沉淀法所制备的传统钙铜复合吸收剂分别提高了222%和114%。
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://doi.org/10.1039/C9TA04513A