导读：
针对全球气候变化下的CO₂捕获需求，南京工业大学机械与动力工程学院彭浩教授、尹帅副教授团队通过液滴微流控技术将Na₂CO₃-MEA复合吸收剂封装于光固化有机硅壳层，开发出一种新型微胶囊碳吸附剂（MECS@Na₂CO₃-MEA），该吸附剂在优化配方与结构后，CO₂吸收速率较单一Na₂CO₃体系提升149%，且具备优异循环稳定性与低浓度CO₂捕获能力。相关研究以“Optimization and microfluidic fabrication of magnetic Na2CO3–MEA microcapsules for enhanced CO2 capture applications”为题目，发表于期刊《Chemical Engineering Journal》。
本文要点：
1、本研究开发了一种新型微封装碳吸附剂（MECS），通过微流控技术将Na₂CO₃-MEA复合吸收剂封装于光固化有机硅壳层中，形成核壳结构微胶囊。
2、系统优化了吸收剂配比，确定Na₂CO₃与MEA摩尔比为8:2时，CO₂吸收速率较纯Na₂CO₃溶液提升149%。通过调控微流控流速，实现了对微胶囊尺寸和壳厚的精确控制。
3、在0.7 atm、40°C条件下，MECS@Na₂CO₃-MEA的吸收容量比未封装吸收剂提高36%，且在低CO₂浓度（1-5 vol%）下仍保持33–57%的性能提升。
4、此外，引入磁性纳米颗粒赋予微胶囊磁响应特性，可实现远程操控。该研究为高性能碳捕集材料的设计与制备提供了一种经济有效的策略。
本研究中Na₂CO₃-MEA复合吸收剂的最佳配方为Na₂CO₃与MEA摩尔比=8:2时，该配方通过多目标优化函数（平衡吸收速率与材料成本）确定，性能-成本指数c达3.03，CO₂吸收速率较纯Na₂CO₃体系提升149%，为所有比例中最高。
其协同提升CO₂吸收性能的具体机制如下：①MEA作为活化剂，其-NH₂基团直接与CO₂反应生成MEAH+和MEACOO-（快速动力学步骤）；②Na₂CO₃在溶液中解离为Na+和CO32-，CO32-作为强质子受体，与MEAH+反应再生MEA（MEAH+ + CO32- ⇌MEA + HCO3-），同时Na₂CO₃自身提供高CO₂吸收容量；③两者协同克服纯Na₂CO₃动力学慢、纯MEA成本高/腐蚀性强的缺陷。
图1. 实验装置示意图。（a）同轴流动微流控装置示意图，右上角插图展示核壳液滴生成过程，左下角小图展示光聚合后得到的紫外固化微胶囊；（b）三相流体流动示意图；（c）吸收过程与壳层固化示意图；（d）CO₂吸收测试装置示意图。
图2. 不同摩尔比复合二元吸收剂的CO₂吸收性能随时间变化图
图3. 液滴生成模式图。（a）核壳复合液滴生成过程。根据生成过程将液滴形态分为五类：蓝色菱形代表单芯液滴生成过程，绿色方形代表双芯液滴生成过程，黄色圆形代表三芯液滴生成过程，棕色倒三角形代表核泄漏现象，红色正三角形代表生成不稳定现象；各类现象对应的图像展示于下方；（b）液滴总直径d₁、外相流体流速Q₀与中相流体流速Qₘ的关系图；（c）当内相流速Qᵢ=16μL/min时，核壳体积比φ（Vᵢ:Vₘ）、Q₀与Qₘ的关系图。
图4. MECS@Na₂CO₃-MEA的材料表征与形貌图。（a）MECS的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）图；（b）MECS的热重（TG）曲线；（c）核心流体在CO₂吸收前后的X射线衍射（XRD）分析图；（d）MECS在CO2吸收前后的X射线衍射（XRD）分析图；（e）展示MECS完整形貌的扫描电子显微镜（SEM）图；（f）单个完整MECS的SEM图；（g）MECS的粒径分布图；（h）MECS的截面SEM图；（i）MECS内部空腔的SEM图；（j）壳层发生褶皱的MECS的SEM图。
图5. MECS@Na₂CO₃-MEA与未封装吸收剂的CO₂吸收性能对比图。（a）40℃下MECS与未封装吸收剂的CO₂吸收速率曲线；（b）40℃下不同粒径MECS的饱和CO₂吸收容量图；（c）不同温度下MECS 3的CO₂吸收速率曲线；（d）流速比为400:12:16的MECS 3在不同温度下的饱和CO₂吸收容量图。
图6. 低浓度条件下MECS@Na₂CO₃-MEA的CO₂吸收性能图。（a）CO₂浓度为1vol%时的吸收速率曲线；（b）CO₂浓度为5vol%时的吸收速率曲线；（c）CO₂浓度为15vol%时的吸收速率曲线；（d）与未封装吸收剂相比的吸收速率提升比例图。
图7. MECS@Na₂CO₃-MEA的吸附-解吸循环测试图。（a）循环过程中MECS内部结晶变化图；（b）主图展示MECS初始吸收速率随循环次数的变化，插入子图量化10次连续循环后的吸收容量保留率；（c）高速相机拍摄的MECS在未吸附、吸附、解吸状态下的形貌演变图；（d）通过气相色谱（GC）对MEC热解吸释放气体组分的定量分析图。
图8. 纳米Fe₃O₄浓度对MECS@Na₂CO₃-MEA与未封装吸收剂CO₂吸收性能的影响图。（a）纳米Fe₃O₄浓度对未封装吸收剂CO₂吸收性能的影响；（b）纳米Fe₃O₄浓度对MECS CO₂吸收性能的影响；（c）外部磁场下掺入纳米Fe₃O₄的MECS的定向调控图。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.170574
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