本文由Ying Shi、Wenxu Fu、Jian Wang、Yulin Li、Zhuyin Sui、Lianjie Zhai、Lei Wang和Xiufeng Xu等作者共同完成，主要研究机构包括烟台大学、西安现代化学研究所和陕西师范大学。该研究于2024年11月25日提交，并发表在《Langmuir》期刊上，文章编号为LA-2024-04780J。

研究背景

SF6（六氟化硫）和NF3（三氟化氮）是电子工业中广泛使用的化学物质，具有优异的电绝缘性和化学稳定性。然而，它们也是强效的温室气体，全球变暖潜能值（GWP）远高于CO2。随着全球气候变化的加剧，减少这些气体的排放已成为当务之急。传统的化学处理方法虽然可以分解SF6和NF3，但会产生有害的副产物，如SOx、NOx和HF。相比之下，物理吸附分离方法通过捕获和回收这些气体，不仅能够减少温室气体排放，还能实现资源的循环利用。然而，现有的吸附剂在分离SF6/N2和NF3/N2时，往往存在微孔分布不均、吸附容量低等问题。因此，开发高效、低成本且可持续的吸附剂成为当前研究的重点。

研究目标

本研究旨在通过一步自活化法（self-activation method）合成具有丰富微孔的碳吸附剂，并系统评估其在SF6/N2和NF3/N2分离中的性能。研究的目标是优化吸附剂的孔隙结构，提高其对SF6和NF3的吸附容量和选择性，同时降低吸附剂的制备成本和对环境的影响。

研究方法

研究团队以聚偏氟乙烯树脂（PVDF）为前驱体，通过直接热解（pyrolysis）在600°C至900°C的温度范围内制备了一系列碳吸附剂。通过调整热解温度，优化了吸附剂的孔隙特性，并系统评估了其在静态吸附和动态脱附过程中的表现。具体实验步骤包括： 1. 吸附剂制备：将PVDF树脂置于管式炉中，在氩气气氛下进行热解，热解温度分别为600°C、700°C、800°C和900°C，最终得到PVDF-T系列吸附剂。 2. 静态吸附和吸附动力学测试：使用Micromeritics 3Flex设备在273K和298K下记录SF6、NF3和N2的单组分等温线。吸附动力学测试在298K和0.1 bar条件下进行，记录气体吸附速率。 3. 动态穿透和脱附实验：使用定制的固定床装置进行气体穿透实验，评估PVDF-800吸附剂在SF6/N2和NF3/N2混合物中的分离性能。脱附实验在298K和氦气流速为5 mL/min的条件下进行，评估吸附剂的再生性能。

主要结果

1. 吸附剂结构特性：通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）和X射线光电子能谱（XPS）等表征手段，证实了PVDF-T系列吸附剂的成功合成。PVDF-800吸附剂具有丰富的微孔结构，孔径集中在0.68 nm左右，表现出优异的吸附性能。
2. 静态吸附性能：PVDF-800在298K和0.1 bar条件下，对SF6的吸附容量达到1.93 mmol·g⁻¹，对NF3的吸附容量为0.57 mmol·g⁻¹，均优于现有的高性能吸附剂。通过理想吸附溶液理论（IAST）预测，PVDF-800对SF6/N2和NF3/N2混合物的分离选择性显著高于其他吸附剂。
3. 动态穿透实验：PVDF-800在SF6/N2混合物中的动态穿透实验中表现出优异的分离性能，SF6的穿透时间显著长于N2，表明其对SF6具有更强的吸附亲和力。脱附实验显示，PVDF-800在常温下能够高效脱附SF6和NF3，纯度达到≥99.9%，且具有优异的循环稳定性。

研究结论

本研究通过一步自活化法成功合成了具有丰富微孔的碳吸附剂PVDF-800，其在SF6/N2和NF3/N2分离中表现出卓越的吸附容量和选择性。PVDF-800不仅具有较高的吸附容量，还表现出适中的吸附强度，有利于高效的脱附过程。动态穿透实验进一步验证了其在实际应用中的潜力，尤其是在常温下实现高纯度SF6和NF3的回收。该研究为开发高效、可持续的吸附剂提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 高效吸附性能：PVDF-800在SF6和NF3的吸附容量上达到了当前高性能吸附剂的水平，且在常温下实现了高纯度的脱附。
2. 一步自活化法：通过简单的热解过程制备吸附剂，无需额外的化学活化剂，降低了制备成本和对环境的影响。
3. 循环稳定性：PVDF-800在多次吸附-脱附循环中表现出优异的稳定性，适合实际应用。

研究意义

该研究不仅为SF6和NF3的高效分离提供了新的解决方案，还为塑料废弃物的资源化利用提供了新的途径。通过将废弃的PVDF树脂转化为高性能吸附剂，研究团队成功实现了“废物变资源”的目标，具有显著的环境和经济效益。