研究背景与核心问题

• 离子液体（ILs）的优势与局限：ILs 是极具吸引力的 CO₂ 捕集介质，但其高粘度、缓慢的气液传质过程以及溶剂处理问题限制了大规模应用。

• 现有技术的瓶颈：虽然微胶囊化可以缓解泄漏并增加传质面积，但传统的微胶囊通常具有致密的聚合物壳层，这成为了 CO₂ 扩散和进入内部吸附位点的主要瓶颈。

导读：

近期，新疆大学卢浩教授团队联合华南理工大学凌子夜教授、北京科技大学汪逺昊教授等人在《Separation and Purification Technology》期刊上发表了题为“Emulsion-templated porous alginate shells enable enhanced CO₂ uptake and faster uptake–release in ionic-liquid microcapsules”的研究成果。这篇文章介绍了一种用于二氧化碳捕集的高效离子液体微胶囊制备技术。研究人员开发出一种全水相乳化联合冷冻干燥的方法，将离子液体 [BMIM][BF₄] 包裹在海藻酸钠基质中，成功制造出具有多级孔隙结构的 ESA-IL 微胶囊。

相比传统的致密壳层，这种互连的孔道网络极大地降低了气体传输阻力，提升了离子液体的利用率和吸收释放速率。实验表明，该材料在高压环境下表现出优异的二氧化碳容量（在 298 K 和 50 bar 下达到 60.99 cm³/g）、良好的循环稳定性能（20 次循环后保持率 >98%）以及显著的二氧化碳/氮气分离选择性。这种绿色且易于规模化的结构工程策略，为开发工业级碳捕集吸附剂提供了全新的设计思路。

本文要点：

1. 创新制备方法（ESA–IL 微胶囊）

• 绿色可扩展工艺：研究人员开发了一种全水相的“机械搅拌乳化–Ca²⁺离子交联–冷冻干燥”策略。

• 多孔壳层的形成：通过引入 Tween-80 乳化剂形成稳定乳液，并利用冷冻干燥过程中冰晶和乳液微区的去除，自发产生分级多孔的壳层结构和渗透传输通道（ESA–IL），无需使用复杂的微流控设备或硬模板。

• 对比体系：研究同时制备了不经乳化、具有致密壳层的常规微胶囊（SA–IL）作为对照。

2. 结构与热学特性

• 形态差异：扫描电镜（SEM）显示，ESA–IL 表面布满坑洞、沟槽和孔口，内部呈相互连通的空腔网络；而 SA–IL 表面光滑致密。

• 物理性质：结构分析确认离子液体 [BMIM][BF₄] 物理包封在无定形的藻酸盐网络中，且乳化步骤主要改变壳层微观结构，而非基础化学组成。

• 热稳定性：TGA 分析表明 ESA–IL 在 CO₂ 捕集工作温度窗口（通常低于 80–100 ℃）内具有良好的热稳定性。

3. CO₂捕集性能评价

• 吸附量提升：在 298 K 和 50 bar 压力下，ESA–IL 的吸附容量达到 99 cm³(STP) g⁻¹（以干胶囊质量计），明显优于致密壳层的 SA–IL 和纯离子液体。

• 极速传质动力学：得益于多孔壳层提供的快速传输通道，ESA–IL 达到最大吸附量仅需 6–7 小时，用时不到 SA–IL 的一半，且吸附–脱附曲线几乎重合，磁滞现象极小。

• 吸附机理：等量吸附热（Qst）处于 12–18 kJ mol⁻¹ 范围内，表明属于物理吸附，有利于低能耗再生。

4. 循环稳定性与选择性

• 高选择性：ESA–IL 表现出显著的 CO₂/N₂ 分离倾向，在高压下 CO₂ 的摄取量比 N₂ 高出一个数量级以上。

• 优异稳定性：在 20 次变压循环实验后，ESA–IL 仍能保持初始容量的 98% 以上，未观察到明显的性能衰减或离子液体泄漏。

总结

该研究提供了一个低成本、绿色且易于放大的结构工程设计思路，证明了过程产生的高渗透性多孔壳层是提升包封离子液体有效利用率和传质速率的关键，为从富氮烟道气中捕集 CO₂ 提供了一个实用的材料平台。

该研究的核心贡献主要体现在三个方面：

（1）在工艺与构效关系层面，证实全水相机械搅拌乳化耦合钙离子离子交联凝胶化与冷冻干燥，无需微流控设备或刚性模板，即可可重复制备出多级多孔、结构贯通的海藻酸钠壳层。该工艺原位生成的孔隙提升了壳层通透性，扩大了气体 - 离子液体可接触界面面积、缩短扩散路径，进而强化传质效率、提升包埋离子液体的有效利用率，在相同化学组成与测试方案下，其二氧化碳吸附容量与吸附 - 解吸速率均优于致密壳层对照样品。

（2）在材料层面，定量揭示了乳化条件对壳层孔隙与微观结构的调控规律，并将上述结构特征与吸附动力学、吸附滞后效应直接关联。

（3）在应用层面，系统评估了二氧化碳/氮气分离核心指标（吸附容量、动力学、选择性、等量吸附热及循环稳定性），并探讨了该体系在298–323 K、0–50 bar工况下的实际应用价值与局限。

图1 离子液体微胶囊的制备路线及所得壳层结构示意图。(a) 非乳化路线（SA–IL）与机械搅拌单乳化路线（ESA–IL）的对比；(b) 离子液体在海藻酸钠水溶液中乳化，经氯化钙离子交联形成湿凝胶微球，再经干燥制得 ESA–IL 微胶囊；(c) 壳层形貌概念对比：非乳化微胶囊的壳层相对致密，而经乳化与干燥制得的壳层为多级多孔、贯通结构。

图2 从乳化前驱体到冷冻干燥后 SA–IL 与 ESA–IL 微胶囊的形貌演变。(a–c) 吐温 80 稳定的乳液光学显微图像，显示液滴分散均匀、粒径分布窄；(d–f) 非乳化 SA–IL 微胶囊的扫描电镜图像：整体形貌 (d)、光滑致密的表面 (e)、密实的截面 (f)；(g–i) 乳化辅助制备的 ESA–IL 微胶囊扫描电镜图像：壳层褶皱的类球形颗粒 (g)、布满凹坑与沟槽的多孔表面 (h)、具有连通空腔的截面 (i)；(j,k) 冷冻干燥前湿态 SA–IL (j) 与 ESA–IL (k) 凝胶微球的光学图像，表明大部分开孔孔隙是在冷冻与升华过程中形成，而非凝胶化初始状态。

图3 海藻酸钠（SA）、离子液体（IL）、SA–IL 及 ESA–IL 微胶囊的光谱、结构与热性能表征。(a) IL、SA、SA–IL 与 ESA–IL 的傅里叶变换红外光谱，突出 O–H、C–H、羧基负离子（–COO⁻）及 C–O–C / 四氟硼酸根负离子（BF₄⁻）特征峰区；(b) SA、SA–IL 与 ESA–IL 的 X 射线衍射图谱，显示 SA 的无定形漫散峰、SA–IL 中的额外衍射峰，以及 ESA–IL 更强的无定形特征；(c) 氮气氛围下 SA、IL、SA–IL 与 ESA–IL 的热重曲线，表明其多步分解行为与最终残炭量差异；(d) 不同升温速率（5、10、20、30 ℃・min⁻¹）下 ESA–IL 的热重曲线，结果显示升温速率加快会使分解步骤向表观高温轻微偏移，但整体多步分解行为与最终残炭量保持不变。

图4 纯离子液体、SA–IL 与 ESA–IL 微胶囊的高压 CO₂吸附性能。(a) 纯 [BMIM][BF₄] 在 298 K 和 323 K、0–50 bar 条件下的 CO₂吸附–解吸等温线；(b) SA–IL 微胶囊在 298 K 和 323 K 下的 CO₂吸附–解吸等温线；(c) ESA–IL 微胶囊在 298 K 和 323 K 下的 CO₂吸附–解吸等温线；(d) 298 K 下纯离子液体、SA–IL 与 ESA–IL 的 CO₂吸附等温线对比，凸显 ESA–IL 在 0–50 bar 全压力范围内吸附容量的提升。

图5 纯离子液体、SA–IL 与 ESA–IL 的 CO₂吸附动力学及循环稳定性。(a–c) 298 K 下纯 IL、SA–IL 与 ESA–IL 的压力组分 - 时间曲线，展示连续升压过程中 CO₂吸附量随时间与压力的变化；ESA–IL 的吸附–解吸响应速度始终快于 IL 与 SA–IL，且滞后环更窄，体现出海藻酸钠多级多孔壳层对传质的积极作用；(d) 298 K 下 ESA–IL 在 0–50 bar 间 20 次变压循环的 CO₂吸附–解吸性能，结果表明其初始吸附量保留率超 98%，动力学性能无明显衰减。

图6 SA–IL 与 ESA–IL 微胶囊的 CO₂吸附热力学及 CO₂/N₂分离性能。(a) 基于 298 K 和 323 K 高压等温线，采用克劳修斯 - 克拉佩龙方程计算得到的 SA–IL 与 ESA–IL 的 CO₂等量吸附热（Qst）；(b) 298 K 下 ESA–IL 对 CO₂、N₂的高压单组分吸附等温线，凸显其对 CO₂远优于 N₂的吸附选择性，以及由此带来的 CO₂/N₂分离性能。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.137254

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