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