随着全球工业化的快速发展，温室气体的大量排放导致的环境问题日益严重，而全球对碳中和的关注也得到了加强。作为温室效应最重要的来源之一，大气中二氧化碳的浓度已从工业革命初期的278ppm增加到现在的400ppm以上。为了控制气温上升，减少极端天气的发生，必须尽快实现CO₂的净零排放。碳捕集、利用与封存(CCUS)技术作为实现碳中和的重要手段，近年来通过化学吸附、物理吸收等多种方式得到迅速发展。目前，水合物基CO₂捕集技术作为21世纪快速发展的研究方向，因其节能环保、操作简单等优点而受到广泛关注。基于水合物的二氧化碳封存技术因其在碳中和过程中的巨大潜力而受到广泛关注。然而，该技术的前提是需要快速的CO₂水合物生成动力学和较高的气体吸收能力。

图1基于提高水合物储碳效率的界面改性模型

近日，华南理工大学樊栓狮教授团队利用不同形态和疏水性的石墨对CO₂水合物的促进作用，提出了一种基于气液界面性质的促进CO₂水合物形成的模式（如图1所示），为水合物碳封存技术的发展提供新的思路。实验结果表明，具有超疏水纳米结构的氟化石墨烯具有最强的储气效果，可以促进水合物成核，为水合物的持续生长开辟通道。当氟化石墨烯(FG-1)足够覆盖界面(1wt%)时，促进效应充分发挥，CO₂储存量为3.53 mmol/g H₂O。与表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)结合后，1wt%FG-1+300ppmSDS体系性能得到提升，储气容量达到5.02 mmol/g H₂O（图2）。通过观察水合物的形成和分解过程，发现氟化石墨为水合物的形成提供场所，使得下方的水通过氟化石墨烯纳米颗粒间的孔隙，上方的气体通过吸附或者扩散来到水合物生成位点（如图3所示）。氟化石墨烯体系中特殊的生长过程使水合物具有优异的二氧化碳储存性能，是其他纳米材料的1.24~7.56倍。该研究认为这种加强气液界面传质的模式为促进水合物基应用的发展提供了新的途径。同时，该工作也有望为水合物碳封存技术的发展提供新的思路。

图1 不同石墨和SDS促进CO₂水合物形成的比较（P=3.1MPa，T=274.2K）

图3 四种石墨促进CO₂水合物生成的过程（P=3.0MPa，T=274.2K）

相关研究成果以“通过超疏水氟化石墨烯形成具有高储存量和高生成速率的二氧化碳水合物”（High storage capacity and high formation rate of carbon dioxide hydrates via super-hydrophobic fluorinated graphenes）为题发表在水合物领域国际期刊《Energy》。本文第一作者为华南理工大学化学与化工学院2019级博士生邓治夏，通讯作者为樊栓狮教授。本项目得到了国家自然科学基金项目、广东省海洋经济发展专项、广州市重点研发计划项目的资助。

原文：

Zhixia Deng，Shuanshi Fan*，Yanhong Wang，Xuemei Lang，Gang Li，Faping Liu，Mengyang Li. High storage capacity and high formation rate of carbon dioxide hydrates via super-hydrophobic fluorinated graphenes[J].Energy.2023,264: 126045

链接：

https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.126045