研究背景

面向工业高温烟气的CO₂减排需求，可在高温区直接工作的固体吸收剂受到广泛关注。正硅酸锂（Li₄SiO₄）具有较高的理论吸收容量、可再生性和热稳定性，是一种具有潜力的高温CO₂吸收剂。然而，为适应移动床或流化床等装置，实验室粉体需制成毫米级颗粒，随之面临吸收活性与力学性能难以兼顾的问题：煅烧温度过低，颗粒结合不牢；温度过高，则易引起晶粒粗化和孔道堵塞，增加离子扩散与CO₂传质阻力。因此，如何通过材料改性与煅烧调控兼顾颗粒活性和强度，是推动其工程应用的关键。

文章概述

针对这一问题，中国科学院工程热物理研究所潘莹团队建立了从粉体配方筛选到颗粒煅烧优化的研究路线。团队首先比较了K单掺杂、K-Al与K-Ti共掺杂体系，其中K-Li₄Si_0.95Ti_0.05O₄在15%-100% CO₂条件下表现出较快的吸收动力学，最高捕集容量达0.31 gCO₂/g吸收剂，并被选作颗粒配方。随后，团队通过挤出-滚圆制得1.0-1.5 mm球形生坯，并系统考察700-1000 ℃煅烧温度、2-10 h保温时间及2-7 ℃/min升温速率的影响。结果表明，煅烧温度是影响颗粒综合性能的主导参数。在800 ℃煅烧4 h后，颗粒内部形成相互连接的烧结颈和稳定骨架，并保留连续开放孔道，初始压碎载荷达到18.74 N；颗粒在550-600 ℃下可获得约0.28-0.30 gCO₂/g吸收剂的捕集容量。当煅烧温度升至850 ℃以上时，晶粒粗化与结构致密化加剧，BET比表面积和可利用孔体积下降，CO₂向颗粒内部的传递阻力随之增大。

图文导读

研究首先将粉体配方筛选与毫米颗粒制备衔接起来（图 1）。筛选得到的 K-Ti 共掺杂配方经原料混合、挤出-滚圆、程序煅烧和筛分，最终获得粒径为 1.0-1.5 mm 的球形颗粒。

图1.Li₄SiO₄ 基颗粒吸收剂的一体化成型与煅烧工程路线

微观结构分析解释了活性与强度能够兼顾的原因（图 2）。适度烧结形成的连通烧结颈为颗粒提供结构支撑，保留下来的开放孔道则有利于 CO₂ 进入颗粒内部；过高温度造成的致密化会破坏这一平衡。

图2.700-1000 ℃煅烧的 K-Li₄Si_0.95Ti_0.05O₄ 颗粒表面及截面 SEM 图

长期循环实验进一步检验了优化颗粒的稳定性（图 3）。在 600 ℃、15% CO₂/N₂ 吸收和纯 N₂ 解吸条件下，800 ℃煅烧颗粒经过 100 次循环后仍保持 90% 以上的容量。

图3.优化颗粒在 600 ℃下的 100 次 CO₂ 吸收-解吸循环曲线

结论与展望

本文将掺杂配方筛选、毫米颗粒成型与煅烧条件优化贯通，揭示了煅烧温度对孔结构、力学性能和CO₂捕集活性的影响规律。800 ℃煅烧在本研究范围内表现出较好的综合性能，为Li₄SiO₄高温CO₂吸收剂从粉体走向成型颗粒提供了材料与工艺依据。未来仍需在实际移动床或流化床中进一步评价颗粒磨损、传热传质及复杂烟气适应性，以推动其工业化应用。

第一作者：刘运莲

通讯作者：潘莹

通讯单位：中国科学院工程热物理研究所

论文信息

Optimization of Solid-State Synthesis Conditions for Li₄SiO₄-Based Pellets via Calcination Engineering Toward Enhanced CO₂ Capture Performance

Yunlian Liu, Qian Jia, Yuanhui Shen, Ruqi Zhang, Ying Pan, Hongguang Jin

Advanced Chemical Engineering

DOI:10.1002/ache.70004

原文链接：

https://doi.org/10.1002/ache.70004

期刊介绍

Advanced Chemical Engineering 是一本金色开放获取期刊，致力于出版化学工程全领域的尖端研究，从基础科学突破到化学工艺中应用技术的设计与规模化，都属于其发表范畴。具体发表范围包括但不限于以下领域：

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催化作用：包括多相催化、均相催化、光催化、电催化和生物催化领域的实验与理论研究。

能源、燃料与存储：包括燃料电池、电池、生物质精炼及相关工艺。

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面向先进应用的材料工程：包括颗粒与涂层技术，以及已展示出应用潜力的材料。

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生物工程与生物技术：包括用于生物燃料和生物化学品的代谢工程、发酵技术、生物加工、生物塑料，以及用于生物制造的合成细胞系统。