引言
隨著氣候變遷的影響每年在全球範圍內顯現，碳捕獲與封存（CCS）仍然是科學研究的關鍵領域。全球暖化的主要驅動因素是大氣中二氧化碳濃度的不斷增加，自全球工業化開始以來，二氧化碳濃度持續上升，這主要是由於化石燃料的燃燒所造成的。世界氣象組織報告稱，過去11年是有記錄以來最溫暖的11年，未來很可能會繼續變暖，這凸顯了這一趨勢的緊迫性。為此，研究工作致力於開發先進材料，透過直接從環境空氣和排放源捕獲二氧化碳來減少排放。為了充分實現這些減排策略，高效的二氧化碳捕獲必須與安全的二氧化碳封存結合。

捕獲的二氧化碳的後續儲存和利用有多種途徑。封存策略包括注入枯竭的油氣藏、在深層地質岩層中進行礦化，以及將二氧化碳用作生產高附加價值產品的原料。無論目標途徑如何，全面了解用於在高壓下儲存二氧化碳的多孔材料至關重要。

本研究利用Micromeritics最新發表的AccuSorp HP 評估了一系列不同材料的高壓二氧化碳吸附等溫線，這些材料包括 4A 沸石、5A 沸石、13X 沸石以及 Supelco 公司的商用活性碳。這項工作建立了一個利用 AccuSorp HP 的先進功能收集高壓二氧化碳吸附數據的框架。

高壓吸附實驗
本研究使用 AccuSorp HP 高壓吸附分析儀，分別在 4A 沸石、5A 沸石、13X 沸石和 Supelco 活性碳上採集了 CO₂ 吸附等溫線。這些等溫線在 15、25 和 35 ℃ 三個溫度下收集，並分析了最高 45 bar 的壓力。之所以選擇 45 bar 作為最高壓力，是因為 CO₂ 在 15 ℃ 時的飽和壓力約為 50 bar，而 AccuSorp HP 對非冷凝流體的最高工作壓力可達 200 bar。限制最高壓力可確保樣品管內不會發生冷凝。 AccuSorp HP 軟體會阻止使用者在高於飽和壓力的壓力下分析氣體，從而免去了使用者在所選分析溫度下查找特定氣體飽和壓力的麻煩。

分析前，樣品使用真空樣品前處理裝置（VacPrep）進行原位除氣。所有測試樣品均在 300 ℃ 下除氣 8 小時，因為它們具有較高的熱穩定性，加熱時結構降解並非主要問題。之後，將樣品轉移至 AccuSorp HP 進行分析。所用樣品架為 2 mL 不鏽鋼樣品管。為保持分析溫度，使用恆溫控制器將溫度分別設定為 15、25 或 35 ℃。由於 CO₂ 在高壓下與理想氣體行為有顯著偏差，因此使用空白校正來獲得適當的吸附量。

表 1：CO₂ 吸附分析的分析條件

結果與討論
吸附等溫線
本次實驗分析了四種材料（沸石 4A、沸石 5A、沸石 13X 和 Supelco 活性碳）對二氧化碳的吸附等溫線。圖 1-4 顯示了在 15、25 和 35 ℃ 下測得的等溫線數據。

圖 1：在 AccuSorp HP 壓力計上測得的沸石 4A CO₂ 吸附等溫線，壓力最高至 45 bar。

圖 2：在 AccuSorp HP 壓力計上測得的沸石 5A CO₂ 吸附等溫線，壓力最高至 45 bar。

圖 3：在 AccuSorp HP 壓力計上採集的 13X 沸石 CO₂ 吸附等溫線，壓力高達 45 bar。

圖 4：Supelco Carbon CO₂ 吸附等溫線，使用 AccuSharp HP 壓力計在高達 45 bar 的壓力下採集。

在所有樣品中，均觀察到了吸附容量隨溫度升高而降低的預期趨勢。對於三種沸石樣品，如預期的高微孔性樣品一樣，在低溫下表現出較強的吸附能力。 Supelco 碳在低壓下對 CO₂ 的吸附量較低，但在高壓下則表現出優異的吸附容量。在 1 bar 壓力下，沸石 13X 的 CO₂ 吸附能力最強，其次是沸石 5A，然後是沸石 4A，最後是 Supelco 碳。在 45 bar 壓力下，沸石 13X 的吸附量最高，Supelco 碳緊追在後，然後是沸石 5A，最後是沸石 4A。

這些等溫線測量結果表明，低壓吸附主要由 CO₂ 在材料最小孔隙中的吸附決定。在高壓下，最大吸附量主要取決於材料的總孔容。沸石 4A 和 5A 的孔徑非常小，有利於在低壓下實現強吸附，但與沸石 13X 和 Supelco 活性碳相比，其總孔容較小。因此，這些材料能夠在相對較低的壓力下快速完全填充孔隙。

吸附熱報告
AccuSorp HP 收集的等溫吸附資料與 MicroActive 軟體套件一起使用，可以生成吸附熱報告。這操作者能夠分析其材料在不同吸附覆蓋率下的吸附熱。吸附熱是指吸附分子吸附在材料表面時所釋放的能量。數值越高，表示交互作用越強。下圖 5 顯示了本研究中分析的四種材料的計算吸附熱。

圖 5：沸石 4A（左上）、沸石 5A（右上）、沸石 13X（左下）和 Supelco 碳（右下）的 CO₂ 吸附熱圖

吸附熱報告的結果與先前對沸石和碳材料等溫吸附數據的觀察結果一致。三種沸石材料均表現出較大的吸附熱，在零覆蓋度下接近50 kJ/mol，並隨著覆蓋度的增加而降低。沸石4A和沸石5A材料的吸附熱隨覆蓋度降低的幅度最為顯著。相較之下，Supelco碳在零覆蓋度下的吸附熱明顯低於沸石材料；然而，隨著覆蓋度的增加，其吸附熱保持穩定，約為25 kJ/mol。

結論
本應用說明概述了使用 AccuSorp HP 進行高壓二氧化碳吸附表徵的方法。對 4A 沸石、5A 沸石、13X 沸石和商用 Supelco 活性碳進行了對比吸附評估。結果表明，沸石對二氧化碳具有很強的吸附親和力，在低表面覆蓋率下，其等量吸附熱高達 45 至 50 kJ/mol。 Supelco 活性碳和 13X 沸石均表現出優異的高壓二氧化碳吸附性能，在 45 bar 的最高評估壓力下，吸附容量接近 7 mmol/g。
 

資料來源：micromeritics
若您對此產品有興趣，歡迎蒞臨明技公司 - micromeritics產品網頁或www.micromeritics.com 參觀