近年来，胺基功能化多孔吸附树脂凭借丰富的胺活性位点、可控孔道结构与低成本优势，在燃煤电厂烟气CO₂捕集、工业尾气碳减排、直接空气捕集等“双碳”关键场景中应用潜力突出，是碳捕获与封存(CCS)技术产业化落地的核心候选材料之一。围绕胺基树脂循环稳定性差、高温循环过程中有机胺易流失、吸附容量衰减过快的行业痛点，青岛科技大学化工学院刘新民副教授团队开展系统研究，在TiO₂改性交联聚苯乙烯树脂用于CO₂高效捕获方向取得重要突破。相关研究成果在国际知名学术期刊《Environmental Science & Technology》（中科院1区，影响因子：12.2）上发表了文章“Performance and Mechanism Analysis of TiO₂‑Modified CrossLinked Resin in the Process of CO₂ Capture”。青岛科技大学为论文的第一署名单位，2026届硕士研究生代盼盼为论文的第一作者，刘新民副教授为论文的通讯作者。

图1 CO₂吸附过程模型

一、基于溶胶-凝胶法构筑TiO₂改性TEPA负载复合吸附树脂(TEPA-TiO₂@SCPS)

传统四乙烯五胺(TEPA)浸渍磺化交联树脂(TEPA@SCPS)吸附材料普遍存在循环工况下胺组分热氧化流失严重、载体骨架易破损、CO₂吸附容量大幅下降等瓶颈问题，制约了其在工业上的应用。针对上述短板，研究团队采用溶胶-凝胶原位包覆改性策略，以钛酸四丁酯为钛源，在磺化交联聚苯乙烯微球(SCPS)表面原位生长锐钛矿型TiO₂纳米颗粒，再通过液相浸渍固定TEPA有机胺，制备得到TiO₂改性球形复合吸附材料TEPA-TiO₂@SCPS。

循环吸附-脱附测试结果表明:未改性TEPA@SCPS经过10轮吸脱附循环后CO₂吸附容量由4.46 mmol g^-1降至4.29 mmol g^-1，容量衰减3.8%；经TiO₂改性后的TEPA-TiO₂@SCPS初始吸附容量提升至4.63 mmol g^-1，10次循环后仅降至4.56 mmol g^-1，容量衰减为1.5%。元素分析证实，TiO₂修饰可将树脂氮元素留存率由81.5 wt%提升至91.4 wt%，显著抑制TEPA胺组分流失；载体特征元素S的损失率从31.1%降至10.6%，同步强化树脂骨架化学稳定性；10次循环中材料钛元素含量稳定在9.09~9.15 wt%区间，TiO₂纳米颗粒牢固锚定在树脂表面，无明显脱落。由于TiO₂与磺酸根、有机胺的多重界面作用，实现了吸附量和循环稳定性的双重提升，为工业烟气连续碳捕集吸附剂长效使用提供新方案。

二、多表征联用揭示TiO₂对树脂微观结构与热稳定性调控规律

通过SEM、BET、XRD、FT-IR、TGA、XPS等多种表征和分析方法，从微观形貌、孔结构、晶体结构、化学键合、热稳定性、表面元素价态等多维度阐明改性材料性能和作用机制。

图2 CPS、TiO₂@SCPS、TEPA-TiO₂@SCPS的SEM和mapping图

图3 样品的XRD、FTIR、TGA与DTG

图4 TEPA-TiO₂@SCPS吸附前后XPS图

SEM与元素映射结果显示：原始CPS树脂表面光滑，包覆锐钛矿TiO₂颗粒后树脂表面粗糙化，Ti、N、S、O元素全域均匀分布，溶胶-凝胶法实现TiO₂纳米颗粒分子级均匀复合；BET结果显示，CPS比表面积596 m²g^-1、孔容0.368 cm³g^-1，负载TiO₂后比表面积降至434 m²g^-1，TEPA浸渍后进一步降至278 m²g^-1，孔道被纳米氧化物与有机胺适度填充但仍保留充足CO₂传质通道；XRD证实改性后出现锐钛矿TiO₂特征衍射峰(2θ=25.2°)，纯晶型TiO₂保障循环过程晶体结构稳定；FT-IR检出Ti-O-Ti特征吸收峰(540、580 cm^-1)与胺基-二氧化钛羟基氢键特征偏移(3438 cm^-1→3419 cm^-1)，证明TEPA与TiO₂通过氢键、配位键紧密结合；TGA结果显示，TiO₂改性将游离胺热分解特征温度由343 ℃提升至414 ℃，大幅抑制高温再生工况下有机胺挥发降解；XPS结果佐证，TiO₂晶格氧向胺N原子转移电子，C-O共价键特征峰(286.5 eV)证明胺组分以化学键锚定于TiO₂表面，循环后Ti⁴⁺价态无变化，晶格结构完整。上述多尺度表征从实验层面完整阐明TiO₂的骨架加固、胺基锚定双重保护作用。

三、DFT理论计算阐明TiO₂-SO₄^2-协同降低CO₂吸附能垒

采用Materials Studio软件COMPASS III力场与CASTEP模块开展密度泛函理论(DFT)计算，从原子尺度解析TiO₂-磺酸根协同调控胺基反应活性、CO₂吸附机理。

图5锐钛矿TiO₂(101)晶面拓扑结构、TEPA与TiO₂结合构型、磺化体系CO₂吸附构型

图6 TEPA在TiO₂/TiO₂-SO₄^2-表面质子转移能量变化、CO₂吸附反应势能曲线及吸附机理

模拟结果表明：(1)锐钛矿TiO₂(101)晶格氧与TEPA的N原子形成配位键，晶格氧向N原子供给电子，提升胺氮亲核性，使CO₂第一步加成反应能垒由7.55 eV降至3.53 eV，降幅达53.2%，中间体能量同步下降43.5%；(2)树脂骨架磺酸基团(-SO₃H)与TiO₂通过S-O-Ti共价桥键相连，SO₄^2-强吸电子效应进一步极化N-H键，促进胺基质子解离，胺与TiO₂质子结合放热由-2.24 eV提升至- 2.67 eV，相互作用热力学稳定性显著增强；(3) SO₄^2-构筑氢键网络(N-H…O-S)，充当质子转运桥梁，大幅加速CO₂吸附过程分子间可逆质子传递，让氨基甲酸酯生成/解离反应可逆性显著提升，从分子机理揭示改性树脂长效循环稳定的本质原因。

另外，该研究领域的相关成果还分别在国际期刊《Journal of Environmental Chemical Engineering》(2026，14，121171)和《Energy＆Fuels》（2025，39（46））上发表了论文。上述论文青岛科技大学为论文的第一单位，刘新民副教授为论文的通讯作者。相关研究获国家自然科学基金项目资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.est.6c00407

https://doi.org/10.1016/j.jece.2026.121171

https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5c04339