AccuSorp HP 高压CO₂吸附数据采集：分子筛与碳材料分析

引言

随着全球气候变化带来各类现实影响，碳捕获、利用与封存（CCUS）始终是十分关键的科研领域。全球变暖的主要诱因是大气中 CO₂ 浓度持续攀升；自工业化以来，化石燃料燃烧是 CO₂浓度升高的首要来源。世界气象组织数据表明，过去 11 年是有记录以来温度最高的时期，未来全球变暖趋势仍将延续（wmo.int）。为此，大量科研工作聚焦于开发新型功能材料，从环境空气或者工业排放源直接捕获 CO₂，以此削减碳排放。要充分落地这类减排技术，除高效捕获 CO₂之外，还必须实现CO₂的安全封存。

捕获得到的 CO₂具备多种封存与资源化利用路径：包括将 CO₂注入枯竭油气藏、在深部地质岩层中发生矿化固存，或是把 CO₂作为原料制备高附加值化工产品。无论选择哪一种技术路线，都必须充分了解可在高压条件下储存 CO₂的多孔材料性能。

本研究使用 AccuSorp HP 高压容量法气体吸附仪，对多种典型材料开展高压 CO₂吸附等温线测试，测试样品包含 4A分子筛、5A 分子筛、13X 分子筛以及 Supelco 商用活性炭。本文给出一套利用 AccuSorp HP 设备采集高压 CO₂吸附数据的完整实验方案。

实验部分

本工作借助 AccuSorp HP 高压容量法气体吸附仪，采集 4A、5A、13X 分子筛以及 Supelco 活性炭的 CO₂吸附等温线；设置 15 ℃、25 ℃、35 ℃三种测试温度，最高测试压力 45 bar。选择 45 bar 作为压力上限的原因：15 ℃条件下 CO₂饱和蒸气压约 50 bar；AccuSorp HP 针对不可冷凝气体最高可工作至 200 bar。限制压力上限，能够避免 CO₂在样品管内部发生冷凝。仪器软件会自动阻止用户在高于气体饱和蒸气压下开展测试，无需用户手动查询某一对应温度下气体饱和蒸汽压。

测试前，样品使用 VacPrep 脱气站完成离线脱气。所有样品热稳定性良好，高温不会发生结构破坏，统一设置 300 ℃ 脱气 8h。脱气完成后将样品转移至 AccuSorp HP 主机进行测试；样品池选用 2 ml 不锈钢腔体。

使用低热电制冷杜瓦分别设定 15 ℃、25 ℃、35 ℃实现测试温度控制。高压工况下 CO₂会显著偏离理想气体行为，实验过程采用空白校正，保证吸附量计算准确。

表1 CO2吸附分析测试条件

结果与讨论

吸附等温线

采集 4 种材料（4A 分子筛、5A 分子筛、13X 分子筛、Supelco 活性炭）的 CO₂吸附等温线，15 ℃、25 ℃、35 ℃条件下的测试结果见图 1-图 4。

图1 AccuSorp HP 测得 4A 分子筛最高 45 bar 下 CO₂吸附等温线

图2 AccuSorp HP 测得 5A 分子筛最高 45 bar 下 CO₂吸附等温线

图3 AccuSorp HP 测得 13X 分子筛最高 45 bar 下 CO₂吸附等温线

图4 AccuSorp HP 测得 Supelco 活性炭最高 45 bar 下 CO₂吸附等温线

全部样品均呈现吸附容量随温度升高而降低的相同规律。三种分子筛属于含有大量微孔的材料，低温条件下吸附能力很强。Supelco 活性炭在低压段 CO₂吸附量偏低，但压力升高之后吸附容量表现优异。在 1 bar 压力条件下： 13X 分子筛 CO₂吸附能力最强，其次是 5A 分子筛，之后为 4A 分子筛，Supelco 活性炭最低。 45 bar 高压条件下
：13X 分子筛依旧保持最高吸附容量，Supelco 活性炭紧随其后，接着是 5A 分子筛，4A 分子筛吸附容量最低。

从等温线可以得到核心结论： 低压条件下，CO₂吸附主要发生在材料的微小微孔孔道内部；高压条件下，材料总孔容决定最大吸附容量。4A、5A 分子筛孔径很小，带来优异低压吸附性能，但总孔容相比 13X 分子筛与 Supelco 活性炭更小。因此这两种分子筛在相对较低压力下孔道就已经被吸附质填满。

吸附等量焓结果输出

AccuSorp HP 采集的等温数据在MicroActive 软件中分析，完成吸附等量焓计算，得到不同吸附覆盖度条件下材料的吸附焓。 吸附等量焓是气体分子吸附到材料表面释放的能量；数值越高，代表气体-材料之间相互作用越强。图 5 为本研究 4 种样品计算得到的 CO₂吸附等量焓曲线。

图 5 4A 分子筛（左上）、5A 分子筛（右上）、13X 分子筛（左下）、Supelco 活性炭（右下）的 CO₂吸附等量焓曲线

吸附焓计算结果与等温线得到的规律保持一致。 三种分子筛零覆盖度下吸附焓接近 50 kJ/mol，并且随着吸附覆盖度增加不断降低；其中 4A、5A 分子筛的吸附焓随覆盖度升高衰减现象最为明显。 与之对比，Supelco 活性炭零覆盖度吸附焓显著低于分子筛；但随着吸附覆盖提升，吸附焓数值十分稳定，维持在 25 kJ/mol 左右。

结论

This application note provides an overview of high-pressure carbon dioxide adsorption characterization using the AccuSorp HP. Comparative adsorption evaluations were conducted across molecular sieve 4A, 5A, 13X, and a commercial Supelco activated carbon. These exhibited strong affinity for carbon dioxide adsorption, as was evident from their high isosteric heats of adsorption within the range of 45 to 50 kJ/mol at low surface coverage. The Supelco carbon and molecular sieve 13X both displayed excellent high-pressure adsorption of carbon dioxide, reaching capacities near 7 mmol/g at the maximum evaluated pressure of 45 bar.

本应用报告介绍使用 AccuSorp HP 高压容量法气体吸附仪开展高压 CO₂吸附表征的完整流程，对 4A 分子筛、5A 分子筛、13X 分子筛以及商用 Supelco 活性炭开展吸附性能对比评价。 分子筛材料表现出很强的 CO₂亲和能力，低表面覆盖度下吸附等量焓可达 45-50 kJ/mol。Supelco 活性炭与 13X 分子筛均具备优异高压 CO₂吸附能力，在 45 bar 最高测试压力下吸附容量接近 7 mmol/g。