近日，沐鸣於偉教授團隊在國際知名期刊《Separation and Purification Technology》(JCR一區，中科院一區TOP，IF= 8.6)上在線發表了題為“Efficient solar-driven carbon dioxide capture system for greenhouse using graphene contained deep eutectic solvents”的研究論文。
研究背景
隨著人口的不斷增長和生活水平的提高，對農產品的產量和質量提出了更高的要求📳，需要更加穩定的生產環境。溫室可以保護農作物免受極端天氣條件的影響，與室外種植相比，提供更適合生長的環境🏄。然而👩，盡管溫室有諸多優點，但在這些受控環境中種植的作物仍然面臨挑戰，特別是在維持最佳二氧化碳濃度方面👩🏻🏭。由於栽培空間的封閉性以及白天持續的光合作用過程，作物消耗溫室大氣中的二氧化碳。這通常會導致二氧化碳濃度降低至250 ppm以下，這對於植物生長來說可能不是最理想的🤸🏻♀️。特別是在夜間🕑，農作物通過呼吸作用釋放的二氧化碳濃度比溫室外環境水平高出約3至4倍。另一方面，二氧化碳濃度過高會引發作物氣孔關閉，導致氣孔導度降低和植物過早衰老🤽🏼♀️。因此，調控溫室CO2濃度是保障農作物高產高效的有效措施。近年來，碳捕獲和利用（CCU）技術已成為調控溫室CO2濃度的一種有前途、具有成本效益且環境友好的方案👨👧👧。其中，DES作為一種新型綠色吸收劑在CO2捕獲和利用領域顯示出巨大潛力⛳️。然而🫲🏿，大多數研究主要集中在CO2吸收能力上👨🏿🚒，而對DES解吸能力的研究很少👴🏽。有研究表明溫度對CO2解吸有顯著影響。因此，研究人員建議將具有更高光熱轉換效率的材料納入DES，以優化系統的熱行為並加快CO2吸收-解吸循環。石墨烯作為一種黑色二維納米材料，具有高導熱率和優異的光子捕獲能力，使其適合提高納米流體的光熱轉換性能👳♂️。在過去的幾年裏🚜，這一領域取得了重大進展🕉👳🏿♀️。因此，沐鸣平台於偉教授團隊將RGO分散到ChCl-MEA DES中製備GNF。該過程首先通過ChCl和MEA通過氫鍵自組裝來製備DES👌🏻。隨後🙌🏻，在超聲處理的影響下，RGO與DES充分混合形成GNF🦵🏼。DES的化學吸收和RGO的物理吸附的協同效應顯著提高了GNF的CO2吸收能力。此外🌇，RGO的引入將黃色透明DES轉化為黑色GNF🙇🏿，放大了其光熱轉換效率，足以達到解吸溫度🧑🏻🍼。
研究內容
研究人員鑒於現有二氧化碳補充方法存在復雜系統、高能耗和安全問題等普遍局限性🙎♂️，首次提出了一種新穎的“太陽能驅動二氧化碳捕獲系統”🤘，其中高光熱轉化率材料被納入低共熔溶劑（DES）中。首先🕸，研究人員利用RGO卓越的光熱轉換能力，采用純DES作為基液，製備了不同質量分數（100ppm、200ppm、300ppm、400ppm、500ppm、600ppm）的GNF並評估了其性能。主要發現如下：
（i）RGO的添加顯著提高了納米流體的光熱轉換效率，DES-500的光效率達到94.3%，是純DES的2.9倍💂🏿。此外，當暴露在陽光下時📴，納米流體的溫度從54.7°C顯著上升至75.9°C，從而能夠有效解吸CO2🖖🏻。
(ii)RGO表面的缺陷位點和活化位點為CO2提供了大量的吸附位點🥩。其中，DES-500的吸收容量最高🤽，為0.399g/g🔹，超過純DES的1.4倍🫃🏿。
(iii)由於DES-500優異的光熱轉換效率和CO2吸收-解吸能力👨🏿🎨，在溫室環境中顯示出巨大的應用潛力。白天👱🏻♂️📛，隨著溫室內溫度逐漸升高🤵🏼，DES-500有利於二氧化碳在較長時間內逐漸釋放👨👦，有利於作物生長⏏️。相反📅，在夜間氣溫下降時，DES-500會主動吸收作物釋放的二氧化碳🙂↕️，確保二氧化碳的高效利用🚈。
(iv) 溫室內的相對濕度也對DES-500的CO2吸收能力有顯著影響🍪。較高的相對濕度促進二氧化碳的吸收🔯。當濕度為80%RH時，CO2吸收能力可達0.65g/g🫵🏿💂🏻♂️，比50%RH時提高1.4倍。
研究數據
圖1 低共熔溶劑和石墨烯納米流體的製備過程🪝🐯。
圖 2.純低共熔溶劑吸收-解吸CO2時涉及的化學反應。
圖 3. (a) ChCl、MEA和純DES的FT-IR 光譜🧔🏼♀️。 (b) CO2吸收和解吸的簡化圖。 (c) 純 DES 吸收CO2之前和之後的13C NMR譜。 (d) 純DES吸收CO2之前和之後的FT-IR光譜👨🏽🍳。 (e) 純DES在不同溫度下對CO2的吸收-解吸能力。
圖 4.(a) RGO的SEM圖像。 (b) 純DES和GNF的吸收能力🍛。 (c) 示意圖描繪了CO2與RGO孔隙位點之間的接觸🪐🌍。 (d) DES-600超聲處理前後的CO2吸收能力。 (e) FT-IR光譜🙃，(f) DES-500吸收CO2之前和之後的13C NMR光譜👩🏼🦲。
圖 5. 不同分數的GNF的 (a) 透射光譜‼️、(b) 消光系數🦹♂️、(c) 反射光譜🪖、(d) 吸收光譜🤷🏿、(e) 光譜輻照度和(f) 太陽加權吸收分數。
圖 6. (a) 使用DES-500在溫室中進行CO2循環的示意圖☁️。DES-500在幹燥環境和各種濕度環境下的(b) 吸水能力和(c) CO2吸收能力。(d) 有/沒有作物的DES-500的吸收和解吸循環👨🏽💼。
原文鏈接
https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125754