Controlled Synthesis of Biochar with Flower-like Morphology for CO2 Adsorption: Enrichment and Efficient Accessibility of N-Containing Sites

生物炭 吸附 热解 材料科学 化学工程 咪唑酯 氮气 碳纤维 沸石咪唑盐骨架 形态学(生物学) 选择性 比表面积 金属有机骨架 有机化学 化学 催化作用 复合材料 复合数 生物 工程类 遗传学
作者
Junjie Zhang,Guangyang Li,Shibiao Zhang,Jingai Shao,Xiong Zhang,Shihong Zhang,Haiping Yang,Hanping Chen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.4c18377
摘要

The N-doped biochar is recognized as a promising, cost-effective, and efficient material for CO2 adsorption. However, achieving efficient enrichment of N-containing adsorption sites and improving their accessibility remains a bottleneck problem that restricts the adsorption performance of N-doped biochar. Herein, a synthesis strategy for nitrogen-doped biochar by one-pot ionothermal treatment of biomass and zeolitic imidazolate framework (ZIF) precursors accompanied by pyrolysis is demonstrated. Through ion thermal ZIF modification, biochar exhibits a controllable flower-like morphology with effective enrichment of nitrogen elements (nitrogen retention rates ranging from 62% to 88%). After pyrolysis, this regular morphology is retained, and a developed hierarchical pore structure is formed. Compared with pristine biochar and ZIF-derived carbon, ZIF-modified biochar has superior CO2 adsorption capacity (up to 3.5 mmol/g) and excellent CO2/N2 adsorption selectivity (up to 38.6). The CO2 adsorption capacities of ZIF-modified biochars have a good linear relationship with both bulk and surface N content, with correlative coefficients of around 0.998 and 0.950, respectively. This positional indifference reflects the effective accessibility of N-containing sites, which can be attributed to the ordered flower-like morphology and hierarchical pore structure of ZIF-modified biochar. The DFT results confirmed the importance of the number and accessibility of such N-containing sites for CO2 adsorption.
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