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Balsa Wood-Derived Carbon Enriched with Hydroxyl Functional Groups for Efficient CO2 Sorption

吸附 碳纤维 化学 化学工程 功能群 有机化学 吸附 材料科学 复合数 复合材料 工程类 聚合物
作者
Yuqing Meng,Manish Neupane,Drew M. Glenna,Asmita Jana,Wenhu Wang,Haiyan Zhao,Jin Qian,Yingchao Yang,Lu‐Cun Wang,Seth W. Snyder
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:13 (16): 5974-5984 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.5c00880
摘要

Developing efficient sorbent systems with a high CO2 adsorption capacity and ease of regeneration is crucial for carbon capture. This work presents a bioinspired approach using three-dimensional (3D) porous carbon derived from abundant Balsa wood. CO2 on these materials has been systematically investigated using kinetic characterization, in situ Fourier-transformed infrared (FTIR) spectroscopy, and theoretical calculations. The 3D carbon materials possess a high surface area and abundant hydroxyl (OH) groups, which act as basic sites to interact with acidic CO2, significantly enhancing the CO2 adsorption capacity. Specifically, KOH-treated Balsa carbon could achieve a CO2 adsorption capacity of 4.1 mmol g–1 at 600 mbar, outperforming other carbon-based adsorbents. In situ FTIR spectroscopy confirmed that CO2 adsorption is predominantly chemisorptive, forming carbonate and bicarbonate species. Efficient CO2 desorption under mild conditions (<85 °C) and negligible performance degradation over 11 cycles indicate good stability and reusability. Density functional theory calculations supported the experimental findings, showing favorable chemisorption with an adsorption energy of −0.64 eV for an OH-functionalized model carbon surface. This study highlights the importance of surface functionalization in enhancing the CO2 adsorption capacity and provides insights for designing advanced carbon-based sorbents. This work also demonstrates the potential of 3D porous carbon from Balsa wood as a high-performance CO2 sorbent, offering a sustainable and efficient solution for carbon capture and contributing to global efforts to reduce atmospheric CO2 and mitigate climate change.
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