[0001] 本公开总体上涉及一种微孔气凝胶、用于制备微孔气凝胶的工艺以及微孔气凝胶的应用。本公开总体上还涉及一种用于从气流或大气中捕获二氧化碳的设备，该设备包括用于选择性地吸附和解吸二氧化碳的微孔气凝胶。

[0002] 多种方法已经用于CO2捕获，包含使用基于液体和基于固体的吸附剂。所用的液体通常涉及碱性溶液，其与CO2发生化学反应。然而，再生材料的吸收速率和能量需求具有挑战性。此外，存在由高度碱性的液体引起的腐蚀和蒸发问题。由于其良好的吸附能力，固体吸附剂在CO2捕获和封存中的应用受到了越来越多的关注。存在许多可以使用的新兴的固体材料，包含胺官能化的二氧化硅、氧化物、沸石、碳、聚合物和金属有机框架(MOF)。虽然这些材料提供较低的再生能量，但合成的成本可能较高，并且这些材料中的一些需要使用昂贵的化学品、有毒溶剂，具有多步骤操作(提取、过滤、洗涤和干燥)是热不稳定的并且容易发生化学降解。

[0003] 因此，需要提供替代的或改进的气凝胶和用于制备替代的或改进的气凝胶的工艺。

[0068] 本公开描述了以下各种非限制性实施例，其涉及为确定使用基于二氧化硅的气凝胶从气流(例如大气)中捕获二氧化碳(CO2)的工艺而进行的研究。发现基于二氧化硅的气凝胶可以用于从低CO2浓度的气流中吸附CO2。基于二氧化硅的气凝胶包括至少一种氨基取代的硅烷和至少一种烷基取代的硅烷的反应产物，其可以吸附和保留CO2。捕获的CO2可以从基于二氧化硅的气凝胶中去除，并且再生的基于二氧化硅的气凝胶可以作为吸附材料被重新使用，以从低CO2浓度环境中捕获CO2。

[0069] 一般定义和术语

[0070] 下面将参考附图进行描述，这些附图形成了描述的一部分，并且通过图示的方式示出了部分实施例。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构改变。

[0071] 关于本文提供的定义，除非另有说明，或从上下文中隐含，否则所定义的术语和短语包含所提供的含义。除非另有明确说明，或者从上下文中显而易见，否则下面的术语和短语不排除相关领域的技术人员已经获得的术语或短语的含义。提供定义以帮助描述特定实施例，并且不旨在限制所要求保护的发明，因为本发明的范围仅由权利要求来限定。此外，除非上下文另有要求，否则单数术语应包含复数，并且复数术语应包含单数。

[0072] 本文讨论和/或引用的所有出版物都以整体并入本文。

[0073] 对已经包含在本说明书中的文件、行为、材料、装置、制品等的任何讨论仅仅是用于提供本公开的上下文的目的。不应认为承认任何或所有这些事项构成现有技术基础的一部分，或者是与本公开相关的领域中的公知常识，因为其在本申请的每个权利要求的优先权日之前已经存在。

[0074] 在整个本公开中，除非另有具体说明或上下文另有要求，否则提及单个步骤、物质组合、一组步骤或一组物质组合应被理解为涵盖一个和多个(即一个或多个)这些步骤、物质组合、一组步骤或一组物质组合。因此，如本文所使用的，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包含复数方面，除非上下文清楚地另外指出。例如，提及“一个(a)”包含单个以及两个或更多个；提及“一个(an)”包含单个以及两个或更多个；提及“该”包含单个以及两个或更多个等等。

[0075] 本领域的技术人员将会理解，除了具体描述的之外，本文的公开易于进行变化和修改。应当理解，本公开包含所有此类变化和修改。本公开还包含在本说明书中单独或共同提及或指出的所有实例、步骤、特征、方法、组合物、涂层、工艺和涂覆的基材，以及该步骤或特征的任何和所有组合或任何两个或更多个。

[0076] 术语“和/或”，例如“X和/或Y”应被理解为意指“X和Y”或“X或Y”,并且应被视为对两种含义或对任一种含义提供了明确的支持。

[0077] 除非另有说明，否则术语“第一”、“第二”等在本文中仅用作标记，并不旨在对这些术语所指的项目强加顺序、位置或等级要求。此外，提及“第二”项目并不要求或排除较低编号的项目(例如，“第一”项目)和/或较高编号的项目(例如“第三”项目)的存在。

[0078] 如本文所使用的，当与项目的列表一起使用时，短语“至少一个”意味着可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可能仅需要列表中的项目中的一个。该项目可以是特定的对象、事物或类别。换句话说，“至少一个”意味着可以使用来自列表的项目或项目的数量的任何组合，但并非列表中的所有项目都是必需的。例如，“项目A、项目B和项目C中的至少一个”可以意指项目A；项目A和项目B；项目B；项目A、项目B和项目C；或者项目B和项目C。在一些情况下，“项目A、项目B和项目C中的至少一个”可以意指，例如但不限于，项目A中的两个、项目B中的一个和项目C中的十个；项目B中的四个和项目C中的七个；或者一些其他合适的组合。

[0079] 如本文所使用的，除非有相反的说明，否则术语“约”通常是指所指定的值的+/‑10％，例如+/‑5％。

[0080] 应当理解，为了清楚起见，在本文中在单独的实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独提供或以任何子组合提供。

[0081] 在整个本说明书中，本公开的各个方面和部件可以以范围格式呈现。范围格式是为了方便而被包含的，并且不应该被解释为对本发明的范围的不可改变的限制。因此，除非特别指出，否则范围的描述应该被认为已经具体地公开了所有可能的子范围以及该范围内的单个数值。例如，如1到5的范围的描述应该被认为具有具体公开的子范围，如1到3、1到4、1到5、2到4、2到5、3到5等，以及所陈述的范围内的单个和部分数字，例如1、2、3、4、5、5.5和
6，除非其中整数是必需的或者是从上下文中隐含的。无论所公开的范围有多广，这都适用。
在需要特定值的情况下，这些将在说明书中注明。

[0082] 在整个本说明书中，词语“包括(comprise)”或如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”的变体将被理解为暗示包含所陈述的要素、整数或步骤，或要素、整数或步骤的组，但不排除任何其他要素、整数或步骤，或要素、整数或步骤的组。

[0083] 在整个本说明书中，术语“基本上由……组成”旨在排除会实质地影响所要求保护的组合物的性质的要素。

[0084] 本文中的术语“包括(comprising)”、“包括(comprise)”和“包括(comprises)”旨在在每种情况下分别任选地用术语“基本上由……组成(consisting essentially of)”、“基本上由……组成(consist essentially of)”、“基本上由……组成(consists essentially of)”、“由……组成(consisting of)”、“由……组成(consist of)”和“由……组成(consists of)”替代。

[0085] 在本文中，术语“约”涵盖与该术语相关的任何一个或多个值的10％公差。

[0086] 提及“基本上不含”通常是指除了可能存在的任何痕量或杂质之外，在组合物中不存在该化合物或组分，例如这可以是总组合物中小于约1％、0.1％、0.01％、0.001％或0.0001％的按重量％计的量。如本文所述的组合物还可以包含例如杂质，其在总组合物中的按重量％计的量小于约5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.01％、0.001％或
0.0001％。例如，这可以是总气流中小于约0.001％或0.0001％的按体积％计的量。例如，如本文所述的气流也可以包含例如在总气流中小于约0.01％、0.001％或0.0001％的按体积％计的量的杂质。此类杂质的实例是在空气中可能存在的甲烷(CH4)的量，其以小于
0.0005体积％的量存在。

[0087] 在本文中，“重量％(weight％)”可以被缩写为“重量％(wt.％)”。

[0088] 术语“烷基”包含直链、支链和环状烷基，并且包含未取代的和取代的烷基。在一个实例中，烷基是直链的和/或支链的，并且任选地被1‑3个环状烷基间隔。除非另有说明，否则烷基通常含有1至20个碳原子。烷基可以例如含有1至12、1至10、1至8、1至6或1至4个碳原子。如本文所使用的“烷基”的实例包含但不限于甲基、乙基、正丙基、正丁基、正戊基、异丁基、叔丁基、异丙基、正辛基、正庚基、乙基己基、环戊基、环己基、环庚基、金刚烷基和降冰片基等。除非另有说明，否则烷基可以是一价的或多价的。烷基可以任选地被一个或多个杂原子取代和/或任选地被一个或多个杂原子间隔。就用作二价或多价连接基团而言，烷基可以被称为“‑烷基‑”。

[0089] 术语“烷基甲硅烷基”代表通过硅原子与分子的其余部分连接的烷基，其可以被高达三个独立选择的烷基取代，其中每个烷基如上文所定义。

[0090] 基于二氧化硅的气凝胶

[0091] 本公开涉及一种可以以宽范围的形态提供的基于二氧化硅的微孔气凝胶。合适的形态的说明性实例可以包含颗粒、粉末、粒料、珠、涂层、片/层、铸块、圆柱体、盘、多孔膜和整料。例如，基于二氧化硅的气凝胶可以作为多个粒料提供。例如，基于二氧化硅的气凝胶可以作为膜/涂层、凝胶层提供，其中气流可以在其上流动或流过该层。此类层可以作为卷状片材或3D基材提供。可替代地，基于二氧化硅的气凝胶层也可以作为包括多个多孔通道的整料提供，气流在该多孔通道中流动。其他层或涂层形态和几何形状也是适用的。

[0092] 在一个实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶可以包括多个颗粒。术语“颗粒”(也被称为“微粒(particulate)”)是指离散固体单元的形式。这些单元可以采取薄片、纤维、团块、粒、粒料、粉末、珠、球体、粉碎的材料等，以及其组合的形式。颗粒可以具有任何期望的形状，包含但不限于立方体、棒状、多面体、球形或半球形、圆形或半圆形、有角的、不规则的等等。颗粒形态可以通过任何合适的手段如光学显微镜来确定。

[0093] 在一些实施例或实例中，气凝胶可以是多个颗粒、粉末、粒料、珠、粒、涂层或片/层。在一些实施例或实例中，颗粒、粉末、粒料、珠、粒、涂层或片/层可以是进一步包括任选的添加剂的组合物，该添加剂选自由金属‑有机框架、纳米颗粒、纳米磁性颗粒、其他多孔材料、粘合剂、缓冲剂或其组合组成的组。例如，基于二氧化硅的气凝胶可以作为多个颗粒、粉末、粒料提供。在一个实例中，基于二氧化硅的气凝胶可以作为多个粒料提供。在一个实施例中，可以将基于二氧化硅的气凝胶与至少一种添加剂(例如粘合剂)和任选地润滑剂一起压制或挤出以形成形状/粒料，从而形成复合材料。发明人已经发现，粘合剂的选择可能是气凝胶组合物是否可以被压制或挤出的决定性因素，并且甚至进一步发现，添加到组合物中的粘合剂的量将取决于最终的应用或用途。气凝胶复合材料可以是任何合适的尺寸和/或形状。在一些实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶复合材料可以具有平均粒料尺寸。

[0094] 金属有机框架可以选自包括TIF‑SIX‑3‑Ni、TIF‑SIX‑3‑Ni、CuBTC、Mg‑MOF‑74、Mg‑MOF‑74‑ED、Nb‑OFFIVE或其组合的组。纳米颗粒可以选自包括基于碳的纳米颗粒(例如富勒烯和碳纳米管)、基于金属的纳米颗粒(例如碱金属和贵金属)、陶瓷纳米颗粒、聚合物纳米颗粒、基于脂质的纳米颗粒、量子点、二氧化硅纳米颗粒、石墨烯或其组合的组。纳米磁性颗粒可以选自包括铁氧化物、铁氧体或其组合的组。粘合剂可以选自包括基于纤维素的聚合物、基于硅烷的聚合物、基于纤维素‑硅氧烷的聚合物、基于聚乙二醇的聚合物、基于环氧的聚合物、胶体二氧化硅、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺或其组合的组。粘合剂可以选自商业粘合剂。应该理解，其他组分可以形成商业粘合剂的一部分。在一个实例中，粘合剂可以包含其他组分，如润滑剂。可以根据需要使用润滑剂以将气凝胶配方的粘度调节到例如可挤出的材料。例如，其他组分可以包含磷酸二钙、二氧化硅、一水合葡萄糖和硬脂酸镁。缓冲剂可以选自包括(NH4)2CO3、NH4CH3CO2、NH3、NH4HCO3、二氧化碳的组。

[0095] 气凝胶颗粒可以具有任何合适的尺寸和/或形状和/或形态。在一些实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶颗粒可以具有平均粒径。对于球形的基于二氧化硅的气凝胶颗粒，粒径是颗粒的直径。对于非球形的基于二氧化硅的气凝胶颗粒，粒径是颗粒的最长横截面尺寸。在一些实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶颗粒可以具有在约10nm至约2000nm(例如约10nm至约1000nm)的范围内的平均粒径。基于二氧化硅的气凝胶颗粒可以具有至少约10、20、50、100、200、300、400、500、700、1000、1500或2000nm的平均粒径。在其他实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶颗粒可以具有小于约2000、1500、1000、700、500、
400、300、200、100、50、20或10nm的平均粒径。这些粒径的值组合形成各种范围也是可能的，例如基于二氧化硅的气凝胶颗粒可以具有约30nm至约70nm、约30nm至约80nm、例如约20nm至约100nm的平均粒径。平均粒径可以通过技术人员已知的任何手段确定，如扫描电子显微镜、动态光散射、光学显微镜或尺寸排除法(如分级筛)。在一个实例中，测量平均粒径的方法可以是扫描电子显微镜。基于二氧化硅的气凝胶颗粒可以具有受控的平均粒径，并且可以在一系列不同的环境和剪切条件下保持其形态，例如在与气流和/或潮湿环境或干燥环境接触时。

[0096] 在另一实施例中，基于二氧化硅的气凝胶可以是自支撑的。如本文所使用的术语“自支撑的”是指基于二氧化硅的气凝胶在没有支撑材料(例如支架)的情况下保持其形态的能力。例如，基于二氧化硅的气凝胶可以包括多个颗粒，其中颗粒在没有支架支撑的情况下保持其形态。基于二氧化硅的气凝胶的自支撑性质可以提供某些优点，例如允许气凝胶的颗粒使用流化床反应器与气流接触。因此，在一个实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶不包括单独的支撑结构，如单独的多孔支撑结构。这并不排除气凝胶本身在性质上是多孔的。因此，应当理解，在基于二氧化硅的气凝胶是“自支撑的”情况下，不存在对气凝胶外源的支撑材料(例如支架)。

[0097] 在又一个实施例中，基于二氧化硅的气凝胶可以作为柱内的层提供，其中气流可以流过柱并穿过基于二氧化硅的气凝胶层。该层可以不限于任何特定的气凝胶形态。在一个实例中，合适的柱可以填充有多个基于二氧化硅的气凝胶颗粒，以形成填充床，在相邻的颗粒之间具有足够的间隙空间，以允许气体流过。可替代地，基于二氧化硅的气凝胶可以与气流一起流动提供(例如流化床反应器)。

[0098] 在又一个实施例中，基于二氧化硅的气凝胶可以作为基材上的涂料组合物提供。在一些实施例或实例中，基材可以是平面的，例如平面片材。在特定实例中，基材可以是柔性片材。平面基材提供了双面元件，基于二氧化硅的气凝胶涂料组合物可以被施加到该双面元件上。每个基材可以在两个相对的侧面上涂覆有基于二氧化硅的气凝胶涂料组合物。
平面基材可以具有任何构造。在一些实施例或实例中，平面基材可以包括平坦的固体表面。
在其他实施例或实例中，平面基材可以包括一个或多个孔，其被设计成帮助气体流过基材并围绕基材流动。在特定实施例或实例中，基材可以包括网状物，例如，微丝网状物。网状物的使用提供了大量的孔(例如，微小尺寸的孔)，从而提供了基于二氧化硅的气凝胶涂料组合物可以涂覆在其上的高表面积，同时还提供了合适的流动路径，与其他构造例如填充床相比，该流动路径具有相当低的穿过基材的压降(相对于网状物的尺寸和构造)。

[0099] 本公开提供了一种基于二氧化硅的气凝胶，其为微孔气凝胶。气凝胶可以优选地具有低的介孔性(mesoporosity)，同时保持优异的微孔性(孔直径<2nm)。在一些实施例中，微孔气凝胶可以具有多个孔，并且至少50％的孔具有小于约2nm的直径。优选地，至少60％的孔具有小于约2nm的直径。更优选地，至少70％的孔具有小于约2nm的直径。甚至更优选地，至少80％的孔具有小于约2nm的直径。在一些实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶的孔隙率可以小于约2nm。孔径可以小于约1.8nm。应当理解，微孔气凝胶不同于介孔气凝胶和大孔气凝胶。介孔气凝胶含有直径在2nm和50nm之间的孔，并且大孔气凝胶含有直径大于50nm的孔。在一些实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶可以具有在约0.1nm至约2nm(例如约0.2nm至约2nm)的范围内的孔径。基于二氧化硅的气凝胶可以具有至少约0.1、0.2、
0.5、1、1.2、1.4、1.6、1.8或2的孔径(nm)。在其他实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶可以具有小于约2、1.8、1.6、1.4、1.2、1、0.5、0.2或0.1的孔径(nm)。这些孔径的值组合形成各种范围也是可能的，例如基于二氧化硅的气凝胶可以具有约0.1nm至约1.8nm、约0.5nm至约2nm、例如约1nm至约2nm的孔径。孔径可以通过技术人员已知的任何手段来确定，如气体吸附实验、压汞法和毛细管流孔隙度确定法。在一个实例中，测量孔径的方法可以使用正电子湮没寿命谱(PALS)。已经发现，在本文所述的一锅合成法期间，产生了孔为2nm或更小的微孔气凝胶。还发现孔为2nm或更小的气凝胶最适合于来自大气(DAC)的二氧化碳捕获以及在封闭环境(DACi)中的二氧化碳捕获。

[0100] 在一些实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶可以具有在约0.1m2/g至约500m2/2 2
g(例如约2m /g至约200m /g)的范围内的表面积。基于二氧化硅的气凝胶可以具有至少约
2
0.1、0.2、0.5、1、2、3、4、5、10、20、50、100、200或500的表面积(m/g)。在其他实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶可以具有小于约500、200、100、50、20、10、5、4、3、2、1、0.5、0.2或
2
0.1的表面积(m/g)。这些表面积的值组合形成各种范围也是可能的，例如基于二氧化硅的
2 2 2 2 2 2
气凝胶可以具有约0.1m /g至约500m/g、约2m/g至约200m /g，例如约3m/g至约150m/g的表面积。

[0101] 在一些实施例或实例中，气凝胶的密度可以在约0.02g/cm3至约0.6g/cm3(例如约3 3
0.05g/cm 至约0.5g/cm )的范围内。基于二氧化硅的气凝胶的密度可以是至少约0.02、
3
0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55或0.6g/cm。在其他实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶的密度可以小于约0.6、0.55、0.5、0.45、0.4、0.35、0.3、0.25、
3
0.2、0.15、0.1、0.05或0.02g/cm。这些密度的值组合形成各种范围也是可能的，例如基于
3 3 3 3
二氧化硅的气凝胶可以具有约0.02g/cm 至约0.6g/cm 、约0.05g/cm 至约0.5g/cm 、约
2 3 2 2 2 2
0.15m /g至约0.4g/cm ，例如约0.2m /g至约0.6m/g或约0.3m/g至约0.6m /g的密度。较高密度的气凝胶将最适合于其中考虑重量的应用。具有高密度的配方可以用于可以适合受限的空间或环境的CO2吸附‑解吸装置。这些类型的装置通常可以用于太空、航空航天、水下运载工具或平台。例如在航空航天或空间应用中，其中气凝胶可以用于从大气中捕获CO2。当空间不成问题时，具有低密度的配方可能是合适的。例如，待放置在温室或发电厂中的DAC单元涉及将CO2转化为甲烷。

[0102] 在一些实施例或实例中，来自氨基烷基硅烷单元的氨基的含量可以有效地提供用于促进二氧化碳(CO2)捕获的游离胺基团，其中游离胺含量可以小于约60mol％。在一些实施例或实例中，氨基烷基硅烷基团的含量可以在约10mol％至约60mol％(例如约20mol％至约40mol％)的范围内。游离胺含量可以是至少约10、15、20、25、30、35、40、45、50、55或60mol％。在其他实施例或实例中，游离胺含量可以小于约60、55、50、45、40、35、30、25、20、
15或10mol％。这些游离胺含量的值组合形成各种范围也是可能的，例如游离胺含量可以具有约10mol％至约60mol％、约15mol％至约50mol％，例如约20mol％至约40mol％的mol％的值。虽然来自氨基烷基硅烷单元的氨基有效地提供了用于促进二氧化碳(CO2)捕获的游离胺基团，但是来自氨基烷基硅烷单元的甲基提供了所需的疏水性。换句话说，本公开的优点中的一个是，由于疏水性，基于二氧化硅的气凝胶可以在各种相对湿度的环境中操作，这使得气凝胶当从空气中吸附CO2时不会竞争水的吸附。与沸石13X或TIF‑SIX不同，发明人已经惊奇地发现，如本文所述，微孔气凝胶不提供良好的水吸附性质，这使得它们在选择性吸附CO2方面优越得多。

[0103] 在一些实施例或实例中，形成基于二氧化硅的气凝胶的至少一种氨基取代的硅烷、至少一种硅酸盐和任选地至少一种烷基取代的硅烷的反应产物包括具有多个选自氨基烷基和烷基的侧基的硅氧烷主链。应当理解，由于疏水性氨基烷基和烷基存在于硅氧烷主链中，并且每个硅原子仅有三个可用的硅氧烷键，因此如本文所述的基于二氧化硅的气凝胶可以是疏水性的，并且通常可以具有比由常规四烷氧基硅烷衍生的那些更低的交联密度和更高的变形性。这些有利的特征可以为进一步工程改造基于二氧化硅的气凝胶的精细结构提供更大的潜力，以用于通过干燥过程实现低的体积收缩，而不使用另外的溶剂交换和表面改性。在一些实施例或实例中，形成基于二氧化硅的气凝胶的至少一种氨基取代的硅烷、至少一种硅酸盐和任选地至少一种烷基取代的硅烷的反应产物可以经历水解和缩合反应以形成聚烷基硅氧烷网络结构。这些水解和缩合反应可能是基于二氧化硅的气凝胶的微观结构的原因。在一个实施例或实例中，反应产物可以包括具有多个选自氨基烷基和烷基的侧基的硅氧烷主链，其中基于分子量，侧基与硅氧烷主链的摩尔比可以是至少60％。基于分子量，侧基与硅氧烷主链的摩尔比可以在约60％至约160％(例如约80％至约140％)的范围内。基于分子量，侧基与硅氧烷主链的摩尔比可以是至少约60、65、70、75、80、85、90、95、100、110、120、130、140、150或160％。在其他实施例或实例中，基于分子量，侧基与硅氧烷主链的摩尔比可以小于约160、150、140、130、120、110、100、90、95、90、85、80、75、70、65或
60％。这些摩尔比的的值组合形成各种范围也是可能的，例如基于分子量，侧基与硅氧烷主链的摩尔比可以具有约60％至约160％、约65％至约150％、例如约70％至约140％的值％。

[0104] 在一个实施例中，氨基取代的硅烷可以符合式1：R1Si(OR2)n‑L‑NH2，其中：R1可以选2
自C1‑6烷基或不存在；R 可以是C1‑6烷基；L是硅和氮原子之间的‑C1‑6烷基‑连接基团；并且n可以是2或3。基于气凝胶配方的总重量，氨基取代的硅烷可以具有至少约40mol％的负载量％。基于气凝胶配方的总重量，氨基取代的硅烷可以具有小于约60mol％的负载量％。

[0105] 在一个实施例中，烷基取代的硅烷可以符合式2：R5mSi(OR6)n，其中：R5和R6可以各自独立地选自C1‑6烷基；并且m可以是1，并且n可以是3，或者m和n可以各自是2。基于气凝胶配方的总重量，烷基取代的硅烷可以具有至少约10mol％的负载量％。基于气凝胶配方的总重量，烷基取代的硅烷可以具有小于约40mol％的负载量％。

[0106] 在一个实施例中，硅酸盐可以符合式3：Si(OR7)4，其中：R7可以是C1‑6烷基。基于气凝胶配方的总重量，硅酸盐可以具有至少约20mol％的负载量％。基于气凝胶配方的总重量，硅酸盐可以具有小于约40mol％的负载量％。

[0107] 氨基硅烷基团的含量可以有效地提供用于促进二氧化碳(CO2)捕获的游离胺基团，其中基于气凝胶配方的总重量，游离胺含量可以小于约60mol％。在一个实施例或实例中，氨基取代的硅烷可以是3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，其基于总的气凝胶配方，具有约40mol％至约60mol％的负载量％。

[0108] 在一个实施例或实例中，气凝胶可以包括至少一种氨基取代的硅烷、至少一种硅酸盐和任选地至少一种烷基取代的硅烷的反应产物或由其组成。

[0109] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的三乙氧基甲基硅烷，并且硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。

[0110] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3‑氨基丙基(三乙氧基)硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的三乙氧基甲基硅烷，并且硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。

[0111] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷，并且硅酸盐是负载量％为约40mol％的原硅酸四乙酯。

[0112] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3‑氨基丙基(三乙氧基)硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷，并且硅酸盐是负载量％为约40mol％的原硅酸四乙酯。

[0113] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷和烷基取代的硅烷的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，并且烷基取代的硅烷是负载量％为约60mol％的三乙氧基甲基硅烷。

[0114] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷和烷基取代的硅烷的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3‑氨基丙基(三乙氧基)硅烷，并且烷基取代的硅烷是负载量％为约60mol％的三乙氧基甲基硅烷。

[0115] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约60mol％的3‑氨基丙基(三乙氧基)硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷，并且硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。

[0116] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的三乙氧基(乙基)硅烷，并且硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。

[0117] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3‑氨基丙基(三乙氧基)硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的三乙氧基(乙基)硅烷，并且硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。

[0118] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的二甲基二乙氧基硅烷，并且硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。

[0119] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷和负载量％为约20mol％的二甲基二乙氧基硅烷的混合物，并且硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。

[0120] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约60mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约10mol％的二甲基二乙氧基硅烷，并且硅酸盐是负载量％为约30mol％的原硅酸四乙酯。

[0121] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约30mol％的二甲基二乙氧基硅烷，并且硅酸盐是负载量％为约30mol％的原硅酸四乙酯。

[0122] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3‑氨基丙基(三乙氧基)硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷和负载量％为约20mol％的二甲基二乙氧基硅烷的混合物，并且硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。

[0123] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷和负载量％为约20mol％的三乙氧基(乙基)硅烷的混合物，并且硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。

[0124] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约60mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷，并且硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。

[0125] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约60mol％的3‑氨基丙基(三乙氧基)硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基甲基硅烷，并且硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。

[0126] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约60mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约10mol％的三乙氧基甲基硅烷和负载量％为约10mol％的三乙氧基(乙基)硅烷的混合物，并且硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。

[0127] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约50mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约15mol％的三乙氧基甲基硅烷和负载量％为约15mol％的三乙氧基(乙基)硅烷的混合物，并且硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。

[0128] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约50mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约25mol％的三乙氧基甲基硅烷，并且硅酸盐是负载量％为约25mol％的原硅酸四乙酯。

[0129] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约60mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，并且硅酸盐是负载量％为约40mol％的原硅酸四乙酯。

[0130] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约60mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约20mol％的三乙氧基(乙基)硅烷，并且硅酸盐是负载量％为约20mol％的原硅酸四乙酯。

[0131] 在一个实施例或实例中，微孔气凝胶可以包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物或由其组成，其中氨基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷，烷基取代的硅烷是负载量％为约40mol％的三乙氧基甲基硅烷和负载量％为约20mol％的三乙氧基(乙基)硅烷。

[0132] 氨基取代的硅烷

[0133] CO2可以通过被吸附到基于二氧化硅的气凝胶中而从气流中被捕获。例如，CO2可以通过化学过程或物理过程被吸附到基于二氧化硅的气凝胶中。在一些实施例中，氨基取代的硅烷可以包括能够结合CO2的官能团。例如，由于其多孔性质，在与基于二氧化硅的气凝胶接触时，低CO2浓度气体可以穿过基于二氧化硅的气凝胶内的间隙孔，并与氨基取代的硅烷上的官能团反应和结合。在一些实施例或实例中，当与低CO2浓度的气流接触时，氨基取代的硅烷能够吸附CO2。能够吸附CO2的合适的氨基取代的硅烷包含本文所述的氨基取代的硅烷中的一种或多种。在一些实施例或实例中，氨基取代的硅烷可以通过化学过程或物理过程吸附CO2。在一些实施例或实例中，氨基取代的硅烷包括能够结合至CO2的官能团。例如，氨基取代的硅烷可以包括一个或多个胺基团，如伯胺(‑NH2)。此类胺基团是亲CO2的，并且容易与CO2反应和结合。在一些实施例或实例中，氨基取代的硅烷包括一个或多个胺基团，如例如3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷。

[0134] 在一些实施例或实例中，氨基取代的硅烷可以包括约10mol％至50mol％的伯胺(‑NH2)基团(在本文中也被称为“游离胺含量”)。伯胺(‑NH2)基团的mol％可以是至少约10、15、20、25、30、35、40、45或50。在其他实施例或实例中，伯胺(‑NH2)基团的mol％可以小于约50、
45、40、35、30、25、20、15或10。这些mol％的值组合形成各种范围也是可能的，例如伯胺(‑NH2)基团的mol％可以具有约10mol％至约50mol％，约15mol％至约45mol％，例如约
20mol％至约40mol％的值。

[0135] 在一些实施例或实例中，氨基取代的硅烷可以包括至少一个或多个脂族胺基团(例如，其中没有芳环基团直接结合至胺的氮原子上的胺)。

[0136] 在一些实施例或实例中，氨基取代的硅烷符合式1：

[0137] R1mSi(OR2)n‑L‑NH2

[0138] 式1

[0139] 其中：

[0140] R1可以是C1‑6烷基或不存在；

[0141] R2可以是C1‑6烷基；

[0142] L是硅和氮原子之间的‑C1‑12烷基‑连接基团；并且

[0143] n可以是2或3。应当理解，当R1存在时，n是2，并且当R1不存在时，n是3。

[0144] 在一些实施例或实例中，氨基取代的硅烷可以包括C1‑6烷基，其可以由如上所述或本文所述的具有1至6个原子链的任何烷基提供。

[0145] 在一些实施例或实例中，氨基取代的硅烷可以包括C1‑4烷基，其可以由如上所述或本文所述的具有1至4个原子链的任何烷基提供。

[0146] 氨基取代的硅烷的烷基可以包括1至4个碳原子。烷基可以是甲基、乙基、丙基、正丁基、叔丁基或其他高级碳烷基。在一些实施例或实例中，氨基取代的硅烷可以选自包括以下或由以下组成的组：3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷、3‑氨基丙基‑三乙氧基硅烷、3‑氨基丙基‑三甲氧基硅烷、N‑(2‑氨基乙基)‑3‑氨基丙基三乙氧基硅烷或其组合。例如，氨基取代的硅烷可以选自包括以下或由以下组成的组：3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷或3‑氨基丙基‑三乙氧基硅烷。

[0147] 烷基取代的硅烷

[0148] 烷基硅烷基团对于实现疏水性和微孔性的元素是有效的。换句话说，本公开的优点中的一个是，由于疏水性，基于二氧化硅的气凝胶可以在各种相对湿度的环境中操作，这使得气凝胶当从空气中吸附CO2时不会竞争水的吸附。此外，基于二氧化硅的气凝胶可以包括烷基硅烷基团，这使得基于二氧化硅的气凝胶的微孔性能够有效地产生具有微尺寸孔的更开放的结构，这可以增加CO2对上述氨基取代的硅烷上的反应性官能团的可及性。

[0149] 在一些实施例或实例中，烷基取代的硅烷符合式2：

[0150] R5mSi(OR6)n

[0151] 式2

[0152] 其中：

[0153] R5和R6各自独立地选自C1‑6烷基；

[0154] m可以是1，并且n可以是3，或者m和n各自可以是2。

[0155] 在一些实施例或实例中，烷基取代的硅烷可以包括C1‑6烷基，其可以由如上所述或本文所述的具有1至6个原子链的任何烷基提供。

[0156] 烷基取代的硅烷的烷基可以包括1至6个碳原子。烷基取代的硅烷也可以具有额外的官能团。烷基可以是甲基、乙基、丙基、正丁基、叔丁基或其他高级碳烷基。本公开的烷基取代的硅烷可以含有单烷基、二烷基或三烷基，并且可以选自由以下组成的组：甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、乙基三甲氧基硅烷、乙基三乙氧基硅烷、丙基三甲氧基硅烷、丙基三乙氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、二乙基二乙氧基硅烷、二乙基二甲氧基硅烷、三甲基甲氧基硅烷、三甲基乙氧基硅烷、三乙基甲氧基硅烷、三乙基乙氧基硅烷、三丙基甲氧基硅烷、三丙基乙氧基硅烷、(3,3,3‑三氟丙基)三甲氧基硅烷、(3,3,3‑三氟丙基)三乙氧基硅烷及其组合。

[0157] 硅酸盐

[0158] 硅酸盐可以包含在基于二氧化硅的气凝胶基质中，并且可以产生复杂的结构，该复杂的结构具有与所得的基于二氧化硅的气凝胶相关的对于CO2捕获有效的独特性质。硅酸盐符合式3：

[0159] Si(OR7)4

[0160] 式3

[0161] 其中：

[0162] R7是C1‑6烷基。

[0163] 在一些实施例或实例中，硅酸盐可以包括C1‑6烷基，其可以由如上所述或本文所述的具有1至6个原子链的任何烷基提供。

[0164] 硅酸盐的烷基可以包括1至6个碳原子。烷基可以是甲基、乙基、丙基、正丁基、叔丁基或其他高级碳烷基。本公开的硅酸盐可以选自四烷氧基硅烷。例如，硅酸盐可以是四甲氧基硅烷、四乙氧基硅酸盐或其组合。

[0165] 用于制备基于二氧化硅的气凝胶的工艺

[0166] 在一些实施例或实例中，提供了一种用于制备微孔气凝胶的工艺。具体而言，本公开提供了一种用于由至少一种氨基取代的硅烷、至少一种硅酸盐和任选地至少一种烷基取代的硅烷的反应产物制备如本文所述的基于二氧化硅的气凝胶的新工艺。在一些实施例中，用于制备基于二氧化硅的微孔气凝胶(其中该微孔气凝胶包括多个孔并且至少50％的孔具有小于约2nm的直径)的工艺可以包括以下或由以下组成：(i)(a)混合包括至少一种氨基取代的硅烷、至少一种硅酸盐和任选地至少一种烷基取代的硅烷、任选地缓冲剂、任选地一种或多种添加剂和溶剂体系的水溶液，以形成湿凝胶基质；和(ii)干燥该湿凝胶基质以提供干燥的基于二氧化硅的气凝胶，条件是干燥该湿凝胶基质不涉及超临界CO2。在一些实施例或实例中，步骤(i)进一步包括步骤(i)(b)冲洗该湿凝胶基质。冲洗湿凝胶能够实现溶剂交换和去除材料的孔隙中的副产物。根据如本文所述的至少一些实施例或实例的本发明工艺的一个或多个优点在于，该工艺是可规模化的一锅合成法，具有短的反应时间(例如，与48小时或更长时间相比，对于一些配方为约6小时)和胶凝化时间(例如约5至30分钟)以制备能够捕获CO2的微孔气凝胶。合成和洗涤步骤需要烘箱或水浴以及基本的反应容器。对于该工艺不需要专门的气体或压力容器，并且优选的候选物的典型密度可以在0.3g/mL至0.6g/mL的范围内，允许在碳捕获设备的实际表现中使用较小体积的气凝胶。在合成成本和设备成本方面的经济优势是非常有利的。这与以前的工艺有些不同，例如US 9,931,612 B2(Aspen)，其中介孔气凝胶的合成涉及冗长的多步工艺和超临界干燥。例如，Aspen描述了气凝胶的合成，涉及至少两步溶胶‑凝胶过程，以及使用超临界CO2提取去除溶剂。例如，(i)在不同的温度和时间下制备含有前体的两种单独的溶胶，步骤(ii)合并两种单独的溶胶，(iii)允许胶凝化在2天内发生，和(iv)使用液态CO2进行超临界干燥。

[0167] 在一些实施例或实例中，在步骤(ii)之前，至少一种氨基取代的硅烷和至少一种烷基取代的硅烷可以在酸性介质(例如有机酸，如盐酸或磷酸)中水解。

[0168] 例如，在步骤(i)中，混合包括至少一种氨基取代的硅烷、至少一种硅酸盐和任选地至少一种烷基取代的硅烷、任选地缓冲剂、任选地一种或多种添加剂和溶剂体系的水溶液以形成湿凝胶基质，可以在环境温度下进行至少24小时，或者可以加热至约60℃至约80℃持续约6小时。在步骤(i)(b)中，在足量的水中冲洗湿凝胶基质以用水交换溶剂(例如乙醇)允许湿凝胶基质干燥(在步骤(ii)中)以形成开放的多孔凝胶(例如，干燥的基于二氧化硅的气凝胶)。未能去除溶剂可能导致具有差的性能的“硬”凝胶。在足够量的水中冲洗以去除溶剂的湿凝胶基质可以在室温下干燥，并在约80℃和100℃之间加热以去除任何残余的水。

[0169] 在一些实施例或实例中，该工艺可以是溶胶凝胶工艺，并且步骤(ii)可以包括以下或由以下组成：(a1)任选地加热该湿凝胶基质以获得凝胶；和(a2)通过溶剂蒸发和/或热处理干燥该凝胶，以提供干燥的基于二氧化硅的气凝胶。

[0170] 在其他实施例或实例中，该工艺可以包括替代的步骤(ii)，该步骤(ii)可以包括：(b1)其中湿凝胶基质可以被施加至基材以形成涂覆基材的湿凝胶膜；和(b2)通过溶剂蒸发和/或热处理干燥该湿凝胶膜，以提供干燥的基于二氧化硅的涂覆的基材。在一个实施例或实例中，干燥步骤(ii)可以是真空干燥或冷冻干燥。优选地，干燥步骤是真空干燥。应当理解，干燥步骤(ii)不涉及超临界CO2。

[0171] 在步骤(i)中的醇凝胶(alcogel)或在步骤(a1)中的溶胶凝胶(例如胶体溶液)可以由逐渐演变成含有液相和固相两者的凝胶状两相体系的过程形成，该两相体系的形态可以在离散的颗粒到连续的聚合物网络(老化过程)的范围内。在一些实施例或实例中，颗粒密度可能较低，使得最初可能需要去除一定量的液体以识别凝胶状性质。在另一实施例或实例中，离心可以用于加速相分离和凝胶形成的过程，以形成老化的醇凝胶或老化的溶胶凝胶。去除剩余的液体(溶剂)相可能需要干燥步骤(例如，步骤(ii)和步骤(a2))。

[0172] 应当理解，孔径主要可以由氨基取代的硅烷和烷基取代的硅烷的浓度以及胶凝化条件决定。氨基取代的硅烷和烷基取代的硅烷的浓度越高，醇凝胶或溶胶凝胶越致密，孔径可以越小。在相同浓度的氨基取代的硅烷和烷基取代的硅烷下，在更高温度下更快的胶凝化可能涉及加速的化学反应和簇聚集，导致基于二氧化硅的气凝胶中相对更大的空隙(或孔)，而在更低温度下更慢的胶凝化可能导致更小的空隙(或孔)。另一方面，在胶凝化时形成的硅氧烷网络结构可能需要进一步发展和加强，使得在干燥过程期间，网络结构能够保持网络的完整性。这种增强和硬化效应可以通过老化过程实现，其中许多未反应的‑OR和‑OH基团可以继续缩合并形成Si‑O‑Si键。

[0173] 硅酸盐的加入可以与其他四个硅原子形成共价键，从而增加硅氧烷网络结构的刚性。氨基取代的硅烷和烷基取代的硅烷可以在硅氧烷网络结构中仅形成两个或三个共价键，从而允许柔韧性。

[0174] 在步骤(a1)和(b1)之前，湿凝胶基质可以被加热至合适的温度并保持在该温度(老化过程)。在一些实施例或实例中，湿凝胶基质可以在约20℃和约100℃之间的范围内加热。湿凝胶基质的温度可以是至少约20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100℃。湿凝胶基质的温度可以小于约100、95、90、85、80、75、70、65、60、55、50、45、40、
35、30、25或20℃C。这些加热温度的组合也是可能的，例如在约20℃至约30℃之间，在约25℃至约80℃之间，或者在约75℃至约85℃之间。

[0175] 至少根据如本文所述的一些实施例或实例，可以通过将反应容器浸入处于所需温度的烘箱中，将湿凝胶基质加热至期望的温度，并允许溶液达到所需温度。

[0176] 至少根据如本文所述的一些实施例或实例，湿凝胶基质可以在步骤(a1)和(b1)中的温度下保持约3小时至约24小时。湿凝胶基质可以在步骤(a1)和(b1)的温度下保持至少约3、6、9、12、15、18、21或24小时。湿凝胶基质可以在步骤(a1)和(b1)的温度下保持小于24、21、18、15、12、9、6或3小时。这些时间的组合也是可能的，例如在约6小时和约12小时之间。

[0177] 在一些实施例或实例中，对于步骤(a1)和(b1)，湿凝胶基质然后可以冷却至环境温度。在一个实施例或实例中，湿凝胶基质可以冷却至环境温度。

[0178] 在一个实例中，在形成湿凝胶之后，可以去除残余的溶剂和有机反应产物，以避免使湿凝胶基质塑化。通过破坏基质并浸泡在至少10倍过量的水中持续不少于1小时，这些与水交换。水交换可以保护湿凝胶基质免于坍塌，并且还可以允许任何未反应的硅烷形成Si‑O‑Si键。水的交换不足可能导致凝胶与使用传统方法干燥的典型气凝胶不相似。当使用冷冻干燥方法或其他减压干燥工艺时，溶剂(例如乙醇)的交换变得不那么重要。氨基取代的硅烷如式1的那些(例如，3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷)的并入意味着溶剂化的基质仍然具有塑性性质，这与传统的气凝胶不同，在传统的气凝胶中所有的硅原子都与不少于三个其他氧原子共价结合。

[0179] 当在湿凝胶基质的干燥期间中蒸发空气中的溶剂时，湿凝胶基质可能经历由在干燥过程期间中在空气/液体界面处的毛细管力和溶剂提取速率的差异引起的收缩和破裂，并且超临界干燥过程通常用于抑制这种情况。然而，超临界干燥在高压下进行，并且增加了制造成本，从而阻碍了气凝胶的商业化。例如，US 9,931,612 B2(Aspen)公开了一种通过首先形成两种不同的溶胶，然后将溶胶混合以形成凝胶，然后使用超临界CO2干燥来形成介孔气凝胶的两步工艺。超临界CO2干燥通常用于去除介孔气凝胶的孔隙中的任何溶剂，其中凝胶经受液态CO2，随后在压力下加热CO2液体填充的凝胶，直到液体转化为超临界流体。应当理解，这是Aspen工艺的主要缺点，因为当气凝胶的目的是从空气中捕获CO2时，将CO2引入到孔隙中以代替溶剂不是环境友好的解决方案。另一个关键区别是两步工艺导致介孔凝胶的形成，其中孔径大得多。已经发现，介孔凝胶对CO2的选择性吸附是效率较低的，并且更适用于存在较高浓度的CO2的情况，如在其中CO2水平为约12‑14％的烟道气中捕获CO2。

[0180] 根据如本文所述的至少一些实施例或实例的本发明工艺的一个或多个优点在于，可以通过最小化先前用其他干燥工艺观察到的影响来干燥湿凝胶基质以获得干燥的基于二氧化硅的气凝胶。由本公开描述的干燥过程可以以各种有利的方式进行，包含减压干燥、环境压力或真空干燥、冷冻干燥或其各种组合。优选地真空干燥或冷冻干燥。

[0181] 对于步骤(ii)，湿凝胶基质可以在适合产生干燥的基于二氧化硅的气凝胶的温度下干燥。在一个实例中，当使用减压干燥来干燥湿凝胶基质时，可以将干燥设备控制在约40℃至约60℃或约55℃，初始干燥压力可以是环境大气压，并且可以开启真空泵以开始真空干燥(‑80kPa)持续至少约4小时、6小时、8小时、10小时、12小时、14小时、16小时、18小时、20小时、22小时或24小时，以产生干燥的基于二氧化硅的气凝胶。在另一实例中，当使用冷冻干燥工艺干燥湿凝胶基质时，湿凝胶基质在典型的冷冻干燥条件下保持持续至少约4小时、6小时、8小时、10小时、12小时、14小时、16小时、18小时、20小时、22小时或24小时，以产生干燥的基于二氧化硅的气凝胶。在又一个实例中，当使用环境压力或在烘箱中干燥湿凝胶基质时，温度可以控制在约40℃至约60℃或约50℃，并且湿凝胶基质在环境压力下或在真空中保持持续至少约4小时、6小时、8小时、10小时、12小时、14小时、16小时、18小时、20小时、
22小时或24小时，以产生干燥的基于二氧化硅的气凝胶。

[0182] 在一些实施例或实例中，氨基取代的硅烷可以具有如本文所述的式1。在一些实施例或实例中，烷基取代的硅烷可以具有如本文所述的式2。在一些实施例或实例中，硅酸盐可以具有如本文所述的式3。

[0183] 在一些实施例或实例中，溶剂可以是水、非水性溶剂或其组合。在该工艺的步骤(i)(a)和步骤(i)(b)中可以使用各种非水性溶剂，包含含有在1和6个碳原子之间的醇。在一个实施例或实例中，溶剂可以选自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丁醇、叔丁醇、戊醇、己醇及其组合。在一个实施例或实例中，乙醇可以用作溶剂。例如，在该工艺中，乙醇可以与水组合使用。还可以涉及各种比率的水以完成溶胶‑凝胶反应。水也可以是这些反应中的一些反应的产物。可以调节比率和溶剂，使得可以避免沉淀或相分离。

[0184] 在一些实施例或实例中，该工艺可以进一步包括步骤(iii)活化步骤。通过该工艺制备的基于二氧化硅的气凝胶可以在约80℃至约160℃的范围内的温度下活化。活化温度可以是至少约80、90、100、110、120、130、140、150或160℃。活化温度可以低于约160、150、140、130、120、110、100、90或80℃。这些活化温度的组合是可能的，例如活化温度可以在约
80℃至约160℃之间，在约90℃至约150℃之间，或在约100℃至约140℃之间。

[0185] 在一些实施例或实例中，一种或多种添加剂可以选自缓冲剂、粘合剂、任选地金属有机框架(MOF)和纳米颗粒。添加剂(当存在时)的总量可以小于气凝胶配方的50％。MOF当作为添加剂存在时将少于气凝胶配方的10％，优选地少于5％。在一些实施例或实例中，通过该工艺制备的基于二氧化硅的气凝胶可以是多个颗粒、粉末、粒料、珠、粒、涂层或片/层。在一些实施例或实例中，颗粒、粉末、粒料、珠、粒、涂层或片/层可以是组合物，并且进一步包括选自包括金属‑有机框架、纳米颗粒、纳米磁性颗粒、粘合剂、缓冲剂或其组合的组的任选的添加剂。在一个实施例中，MOF(当存在时)在气凝胶形成后用作表面改性剂，以改性气凝胶的表面，用于制造珠或粒料的目的。在另一实施例或实例中，通过该工艺制备的基于二氧化硅的气凝胶可以作为多个粒料提供。粒料可以进一步包括任选的添加剂，该添加剂选自包括金属有机框架、纳米颗粒、纳米磁性颗粒、粘合剂、缓冲剂或其组合的组。在一个实例中，粒料可以包括以下或由以下组成：通过该工艺制备的基于二氧化硅的气凝胶与粘合剂和任选的润滑剂组合。粘合剂可以选自包括基于纤维素的聚合物、基于硅烷的聚合物、基于纤维素‑硅氧烷的聚合物、基于聚乙二醇的聚合物、基于环氧的聚合物、胶体二氧化硅、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺或其组合的组。粘合剂可以选自商业粘合剂。应该理解，其他组分可以形成商业粘合剂的一部分。在一个实例中，粘合剂可以包含其他组分，如润滑剂。可以根据需要使用润滑剂以将气凝胶配方的粘度调节到例如可挤出的材料。例如，其他组分可以包含磷酸二钙、二氧化硅、一水合葡萄糖和硬脂酸镁。

[0186] 在一些实施例或实例中，基于总的气凝胶组合物，添加剂的量可以在约1重量％至约50重量％的范围内。添加剂的量可以是至少约1、5、10、15、20、25、30、35、40、45或50重量％。硅酸盐的量可以小于约50、45、40、35、30、25、20、15、10、5或1重量％。这些量的组合是可能的，例如，添加剂的量可以在约10重量％至约50重量％之间，在约15重量％至约45重量％之间，或者在约20重量％至约40重量％之间。例如，基于总气凝胶组合物，粘合剂的量可以在约10重量％至约50重量％之间，在约15重量％至约45重量％之间，或者在约20重量％至约40重量％之间。

[0187] 在另外的实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶可以是复合材料的形式，其中该复合材料可以通过将由干燥的基于二氧化硅的气凝胶、粘合剂和任选地润滑剂组成的混合物压制成粒料来制备。在另外的实施例或实例中，气凝胶复合材料可以包括以下或由以下组成：(i)根据本文所述的实施例或实例中任一者所述的气凝胶或其组合，该气凝胶包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物；(ii)一种或多种添加剂，其中添加剂具有约5重量％至约35重量％的负载量％；(iii)任选地润滑剂；和(iii)任选地溶剂。在又一个实施例或实例中，气凝胶复合材料可以包括以下或由以下组成：(i)根据本文所述的实施例或实例中任一者所述的气凝胶或其组合，该气凝胶包括氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐的反应产物；(ii)一种或多种添加剂，其中添加剂具有约5重量％至约35重量％的负载量％；和(iii)任选地润滑剂。

[0188] 在一些实施例中，复合材料可以通过(c1)将由根据本文所述的实施例或实例中任一者或多者所述的气凝胶、任选地润滑剂和一种或多种添加剂组成的混合物压制成粒料来制备，其中一种或多种添加剂具有约5重量％至约35重量％的负载量％；或者(c2)液体挤出由根据本文所述的实施例或实例中任一者或多者所述的气凝胶、一种或多种添加剂、任选地润滑剂和溶剂组成的混合物，以提供粘性糊剂，其中一种或多种添加剂具有约5重量％至约35重量％的负载量％。一种或多种添加剂可以选自粘合剂、任选地金属有机框架(MOF)和纳米颗粒。在特定实施例中，一种或多种添加剂可以是粘合剂。粘合剂可以选自包括基于纤维素的聚合物、基于硅烷的聚合物、基于纤维素‑硅氧烷的聚合物、基于聚乙二醇的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺、膨润土、石墨或其组合的组。应当理解，当根据本文所述的实施例或实例中任一者或多者所述的任何两种或更多种气凝胶的组合用于制备复合材料的过程中时，该复合材料可以被称为混合的气凝胶复合材料。

[0189] 在另一实例中，基于二氧化硅的气凝胶可以是复合材料的形式，其中该复合材料可以通过由干燥的基于二氧化硅的气凝胶、粘合剂和任选地润滑剂组成的混合物的液体挤出来制备，以提供粘性糊剂。在又一个实例中，基于二氧化硅的气凝胶可以是复合材料的形式，其中该复合材料可以通过由干燥的基于二氧化硅的气凝胶、粘合剂、任选的润滑剂和溶剂组成的混合物的液体挤出来制备，以提供粘性糊剂，该糊剂可以用作例如基材上的涂层。

[0190] 在一些实施例或实例中，一种或多种添加剂可以选自粘合剂、任选地金属有机框架(MOF)、表面活性剂和纳米颗粒。添加剂(当存在时)可以少于气凝胶配方的35％，优选地少于10％。在一些实施例或实例中，通过该工艺制备的基于二氧化硅的气凝胶可以是多个颗粒、粉末、粒料、珠、粒、涂层或片/层。在一些实施例或实例中，颗粒、粉末、粒料、珠、粒、涂层或片/层可以是组合物，并且进一步包括任选的添加剂，该任选的添加剂选自包括金属‑有机框架、纳米颗粒、纳米磁性颗粒、粘合剂或其组合的组。在一个实施例中，MOF(当存在时)在气凝胶形成后用作表面改性剂，以改性气凝胶的表面，用于制造珠或粒料的目的。

[0191] 在一些实施例中，可以通过将如本文所述的干燥的气凝胶与约5重量％至约35重量％的添加剂(例如粘合剂)和任选的润滑剂混合来制备复合材料粒料。在另一实施例中，可以通过将如本文所述的干燥的气凝胶与约5重量％至约35重量％的添加剂(例如粘合剂)、任选的润滑剂和溶剂(例如乙醇和水的水溶液)混合来制备复合材料糊剂。所得的粘性糊剂可以用于通过液体挤出形成复合材料粒料，或根据需要进一步稀释以用作基材上的涂层。

[0192] 添加剂(例如粘合剂)的负载量％可以是至少约5、10、15、20、25、30或35重量％。在其他实施例或实例中，添加剂(例如粘合剂)的负载量％可以小于约35、30、25、20、15、10或5重量％。这些的值组合形成各种范围也是可能的，例如添加剂(例如粘合剂)的负载量％可以是约5重量％至约30重量％、约8重量％至约25重量％，例如约10重量％至约20重量％。

[0193] 在一个实施例或实例中，通过该工艺制备的基于二氧化硅的气凝胶可以是自支撑的。如上所述，如本文所使用的术语“自支撑的”是指基于二氧化硅的气凝胶在没有支撑材料(例如支架)的情况下保持其形态的能力。例如，通过该工艺制备的基于二氧化硅的气凝胶可以包括多个颗粒，其中颗粒在没有支架支撑的情况下保持其形态。基于二氧化硅的气凝胶的自支撑性质可以提供某些优点，例如允许气凝胶的颗粒使用流化床反应器与气流接触。因此，在一个实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶不包括单独的支撑结构，如单独的多孔支撑结构。因此，应当理解，在基于二氧化硅的气凝胶是“自支撑的”情况下，不存在对气凝胶外源的支撑材料(例如支架)。

[0194] 在其他实施例或实例中，通过该工艺制备的基于二氧化硅的气凝胶可以作为柱内的层提供，其中气流流过柱并穿过基于二氧化硅的气凝胶层。该层不限于任何特定的基于二氧化硅的气凝胶形态。在一个实例中，合适的柱可以填充有多个基于二氧化硅的气凝胶颗粒，以形成填充床，在相邻的颗粒之间具有足够的间隙空间，以允许气体流过。可替代地，基于二氧化硅的气凝胶可以与气流一起流动提供(例如流化床反应器)。

[0195] 在另一实施例或实例中，通过该工艺制备的基于二氧化硅的气凝胶可以作为基材上的涂料组合物提供。在一些实施例或实例中，基材可以是平面的，例如平面片材。在特定实例中，基材可以是柔性片材。平面基材提供了双面元件，基于二氧化硅的气凝胶涂料组合物可以被施加到该双面元件上。每个基材可以在两个相对的侧面上涂覆有基于二氧化硅的气凝胶涂料组合物。平面基材可以具有任何构造。在一些实施例或实例中，平面基材可以包括平坦的固体表面。在其他实施例或实例中，平面基材可以包括一个或多个孔，其被设计成帮助气体流过基材并围绕基材流动。在特定实施例或实例中，基材可以包括网状物，例如，微丝网状物。网状物的使用提供了大量的孔(例如，微小尺寸的孔)，从而提供了基于二氧化硅的气凝胶涂料组合物可以涂覆在其上的高表面积，同时还提供了合适的流动路径，与其他构造例如填充床相比，该流动路径具有相当低的穿过基材的压降(当然相对于网状物的尺寸和构造)。

[0196] 在一些实施例或实例中，基于总气凝胶，氨基取代的硅烷的量可以在约10重量％至约80重量％之间的范围内。氨基取代的硅烷的量可以是至少约10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75或80重量％。氨基取代的硅烷的量可以小于约80、75、70、65、60、55、
50、45、40、35、30、25、20、15或10重量％。这些量的组合是可能的，例如氨基取代的硅烷的量可以在约10重量％至约60重量％之间、在约20重量％至约50重量％之间、在约35重量％至约45重量％之间、或在约40重量％至约60重量％之间。

[0197] 在一些实施例或实例中，基于总气凝胶，烷基取代的硅烷的量可以在约10重量％至约80重量％之间的范围内。烷基取代的硅烷的量可以是至少约10、15、20、25、30、35、40、45、50、55 60、65、70、75或80重量％。烷基取代的硅烷的量可以小于约80、75、70、65、60、55、
50、45、40、35、30、25、20、15或10重量％。这些量的组合是可能的，例如烷基取代的硅烷的量可以在约10重量％至约60重量％之间、在约15重量％至约65重量％之间，或在约20重量％至约40重量％之间。

[0198] 在一些实施例或实例中，基于总气凝胶，硅酸盐的量可以在约10重量％至约50重量％之间的范围内。硅酸盐的量可以是至少约10、15、20、25、30、35、40、45、50、55 60、65、70、75或80重量％。硅酸盐的量可以小于约80、75、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、15或10重量％。这些量的组合是可能的，例如硅酸盐的量可以在约10重量％至约50重量％之间、在约15重量％至约45重量％之间，或在约20重量％至约40重量％之间。

[0199] 低CO2浓度的气流

[0200] 本公开的工艺可以从CO2浓度的气流中捕获CO2。例如，该工艺可以从低CO2浓度的大气中捕获CO2。低浓度的气流的实例包含大气(例如环境空气)、通风空气(例如空调装置和建筑通风)、温室型环境(其中CO2在特定时间被吸附并在不同时间被使用)和使呼吸空气再循环的部分地封闭的系统(例如潜水艇、宇宙飞船、飞行器或换气器)。

[0201] 如本文所述，微孔气凝胶最适合于从包括低水平CO2的空气中吸附CO2。优选地，微孔气凝胶可以用于直接CO2捕获应用。微孔气凝胶适合于从空气中吸附小于10,000ppm(10％ CO2)、优选地小于7,000ppm(7％ CO2)、更优选地小于5000ppm(5％ CO2)、并且甚至更优选小于500ppm(0.5％ CO2)的CO2。微孔气凝胶也适合于从包括小于50ppm(0.05％ CO2)的空气中吸附CO2。例如，微孔气凝胶适用于从具有约0.04％的CO2的大气中直接捕获CO2，或者其中CO2水平在约360ppm和约412ppm之间。微孔气凝胶还可以用于在CO2水平低于约2.5％的封闭环境中或在具有高达约7％或更低的较高CO2水平的封闭环境中吸附CO2和净化空气。

[0202] 优选地，对来自包括水的气流的CO2的选择性大于50％。例如，微孔气凝胶可以用于从包括少于500ppm的CO2和至少1000ppm的H2O浓度的空气中吸附CO2，其中对CO2的选择性比H2O高50％。

[0203] 在一些实施例或实例中，低CO2浓度的气流可以具有小于约200,000每百万份(ppm)的CO2浓度。在一个实施例或实例中，低CO2浓度的气流可以具有小于150,000、100,
000、75,000、50,000、25,000、20,000、10,000、7,000、5,000、4,000、1,000、900、800、700、
600、500、400、300、200或100ppm的CO2浓度。在另一实施例或实例中，低CO2浓度的气流可以具有约100ppm至约100,000ppm、约400ppm至约20,000ppm、约3,000ppm至约150,000ppm、约
4,000ppm至约5,000ppm、约100ppm至约10,000ppm、约100ppm至约1,000ppm、约100ppm至约
500ppm的CO2浓度。在一个实施例中，低CO2浓度的气流可以具有约200ppm至约500pm，或约
400ppm至约500ppm，或约400ppm至约450ppm的CO2浓度。

[0204] 应当理解，1ppm相当于0.0001体积％。例如，CO2浓度小于约100,000ppm的气流相当于气流中10.0体积％的CO2。因此，在一些实施例或实例中，低CO2浓度的气流可以具有小于约20、15、10、7.5、5、2.5、1、0.5、0.1、0.09、0.08、0.07、0.06、0.05、0.04、0.03、0.02或0.01体积％的CO2浓度。在另一实施例或实例中，低CO2浓度的气流可以具有约0.01体积％至约15体积％、约3体积％至约15体积％、约4体积％至约5体积％、0.1体积％至约2体积％、约
0.01体积％至约1体积％、约0.01体积％至约0.1体积％、或0.01体积％至约0.05体积％的CO2浓度。在一个实施例或实例中，低CO2浓度的气流可以具有约0.02体积％至约0.05体积％(例如约0.04体积％)的CO2浓度。

[0205] 在一个实施例或实例中，低CO2浓度的气流可以具有与环境空气(例如大气)中相同的CO2浓度。因此，在一个实施例中，低CO2浓度的气流可以具有约400ppm至约450ppm CO2的CO2浓度，例如约400ppm至415ppm，如在世界上大多数地方的环境空气中。因此，在一个实施例中，该工艺用于直接空气捕获(DAC)。

[0206] 在一个实施例或实例中，该工艺用于室内密封环境(DACi)中的直接空气捕获。因此，CO2浓度的气流可以具有高达2,000ppm的CO2浓度。

[0207] 在一个实施例或实例中，该工艺用于在面罩或个人防护设备(DACp)中直接空气捕获呼出的气体。因此，CO2浓度的气流可以具有约4,000ppm至约5,000ppm的CO2浓度。

[0208] 在一个实施例或实例中，该工艺用于外部发电厂中的直接空气捕获(DACex)。因此，CO2浓度的气流可以具有约3,000ppm至约150,000ppm的CO2浓度。

[0209] 在一个实施例或实例中，气流可以包括少于100ppm(即0.01体积％)的烃气体。例如，气流可以包括少于约100、75、50、25、20、15、10、5、4、3或2ppm的烃气体。术语“烃气体”将被理解为是指烃化合物的气体混合物，该烃化合物包含但不限于甲烷、乙烷、乙烯、丙烷和其他C3+烃。例如，本领域技术人员将理解，环境空气包括甲烷作为次要杂质(例如，2ppm/0.0002体积％)，因此环境空气可以包括少于3ppm的烃气体。低CO2浓度的气流可以主要包括氮气，其占气流的主要体积％比例。例如，低CO2浓度的气流可以包括至少约50体积％的氮气，例如至少约70体积％的氮气。在一个实施例中，低CO2浓度的气流包括约78体积％的氮气(例如环境空气)。

[0210] 低CO2浓度的气流可以包括一定量的水(例如气流是潮湿的/湿润的，例如湿润的气流)。例如，低CO2浓度的气流可以包括约1体积％至约10体积％的水。可替代地，低CO2浓度的气流可以是干燥气流。

[0211] 在一个替代实施例中，该工艺可以从高CO2浓度的气流或大气中捕获CO2。例如，高CO2浓度的气流或大气可以具有925毫巴(100体积％)的CO2浓度。

[0212] 在一些实施例或实例中，气流来自通风系统，例如建筑通风或空调。在其他实施例或实例中，气流来自封闭的系统或至少部分地封闭的系统，该系统被设计成使呼吸气体再循环，例如在潜水艇、宇宙飞船或航空器中。应当理解，本公开的基于二氧化硅的气凝胶还可以从具有较高CO2浓度的气流中吸附CO2，突出了基于二氧化硅的气凝胶在广泛的空气捕获应用中的多功能性。在一个实例中，发明人已经发现，基于二氧化硅的气凝胶在100体积％的CO2浓度(例如925毫巴)下捕获高浓度CO2的有效性是令人惊讶的。在另一实例中，本发明的发明人还发现基于二氧化硅的气凝胶在相当于具有15体积％的CO2浓度(例如150毫巴)的烟道气条件(例如外部发电厂)的浓度下捕获CO2的有效性是令人惊讶的。在另一实例中，发明人还发现，在具有高达2体积％的CO2浓度(例如2,000ppm)的室内密封环境中，基于二氧化硅的气凝胶捕获CO2的有效性是令人惊讶的。应当理解，在室内密封环境中小于2体积％的CO2浓度可以包含例如房间、潜水艇、宇宙飞船、航空器或任何其他封闭环境。在又一个实例中，发明人还发现，在约4至5体积％的CO2浓度(例如，约4,000ppm至约5,000ppm)下，基于二氧化硅的气凝胶从面罩/个人防护设备中的呼出的气体中捕获CO2的有效性是令人惊讶的。例如，发明人发现基于二氧化硅的气凝胶在0.04体积％(例如400ppm)的相对低浓度下捕获CO2的有效性特别令人惊讶。应当理解，0.04体积％或小于500ppm的CO2浓度是指从大气中直接空气捕获(DAC)。

[0213] 低CO2浓度的气流或大气与基于二氧化硅的气凝胶接触。气流可以具有合适的流速以接触(例如穿过)基于二氧化硅的气凝胶。可替代地，气流可以在不施加任何背压或流速的情况下与基于二氧化硅的气凝胶接触(例如，气流可以在接触时有机地扩散到基于二氧化硅的气凝胶中)。在一些实施例或实例中，气流可以是基于二氧化硅的气凝胶周围的大气，例如低CO2浓度的大气，例如当基于二氧化硅的气凝胶被配置为温室时。在一些实施例中，气流穿过基于二氧化硅的气凝胶(例如，从基于二氧化硅的气凝胶的第一侧或面进入，并从不同侧或面离开)，或者它可以简单地扩散到基于二氧化硅的气凝胶中，例如当基于二氧化硅的气凝胶被放置在大气(例如环境空气)中时。因此，应当理解，在一些实施例中，不需要对气流施加背压来基本上迫使气流“穿过”基于二氧化硅的气凝胶，尽管在一些实施例中，这可能是期望的，如当基于二氧化硅的气凝胶被配置成例如建筑物通风系统时。在一个实施例中，气流(例如大气)在与基于二氧化硅的气凝胶接触时扩散到基于二氧化硅的气凝胶中。

[0214] 在一些实施例或实例中，气流没有流速，例如0m3/小时。在一些实施例或实例中，3 3 3
气流具有在约0.01m/小时至约1500m/小时之间的流速。气流的流速(m/小时)可以是至少约0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、600、
3
700、800、900、1000或1500。气流的流速(m /小时)可以小于约1500、1000、900、800、700、
600、500、400、300、200、100、90、80、70、60、50、40、30、20、10、5、1、0.5、0.1、0.05或0.01。这
3 3 3
些流速的组合是可能的，例如气流的流速可以是约0.01m/小时至约1500m/小时、约5m /小
3 3 3 3 3 3
时至约1000m/小时、约10m /小时至约500m/小时、约20m /小时至约200m/小时、或约60m /
3
小时至约1000m/小时。在一些实施例或实例中，当气流接触基于二氧化硅的气凝胶时，增加气流的流速可以导致基于二氧化硅的气凝胶中更快的CO2吸附和捕获速率。对于工业规
3
模的应用，气流的流速可以高达1000m /小时。在一些实施例或实例中，气流没有流速(例如，环境大气)。

[0215] 在与基于二氧化硅的气凝胶接触之前，可以至少部分地干燥低CO2浓度的气流，以去除气流中存在的至少一些水分(H2O)。例如，气流可被干燥至小于10％、8％、6％、4％、2％或1％的湿度，或者被干燥至这些值中的任何两个之间的湿度，例如约1％至约10％、约1％至约6％、约1％至约4％。可以通过任何常规手段(例如，穿过吸湿材料或与热源接触)来干燥气流，并且经由如本文所述的方案测量其湿度。

[0216] 在一些实施例或实例中，低CO2浓度的气流在接触基于二氧化硅的气凝胶之前具有初始CO2浓度，并且在接触基于二氧化硅的气凝胶之后具有最终CO2浓度(在本文中也被称为流出气流和/或流出CO2浓度)。应当理解，随着CO2从气流中被吸附到基于二氧化硅的气凝胶中，流出气流中的CO2的浓度将低于气流在与基于二氧化硅的气凝胶接触(例如穿过基于二氧化硅的气凝胶)之前的初始CO2浓度。

[0217] 气流中CO2的浓度可以通过任何合适的手段测量，例如气相色谱‑质谱法、同位素分析仪(例如使用G2201‑i同位素分析仪(PICARRO)和/或红外光谱仪(例如在线校准的腔衰荡IR光谱仪)。气流中CO2的浓度可以通过任何合适的手段监测，例如覆盖0‑100％的范围的‑6S和范围为0‑1％ CO2的K30环境传感器。

[0218] 吸附设备

[0219] 在一些实施例或实例中，提供了一种用于从气流或大气中捕获二氧化碳的吸附设备，其包括：封闭如本文所述的至少一种基于二氧化硅的气凝胶的室，该室包括入口和出口，气流可以通过该入口流向基于二氧化硅的气凝胶，流出气流可以通过该出口从基于二氧化硅的气凝胶流出。至少一种基于二氧化硅的气凝胶可以位于该室的入口和出口之间。

[0220] 通常需要流体流动以将气流从室的入口移动，穿过至少一个封闭的基于二氧化硅的气凝胶，并通过出口移出室。流体流动可以由至少一个流体流动装置驱动，该流体流动装置驱动流体从吸附设备的入口流向出口。可以使用各种不同的流体流动装置。在一些实施例或实例中，流体流动装置包括至少一个风扇或泵。在一些实施例或实例中，通过入口进3 3
入、穿过至少一种基于二氧化硅的气凝胶的气流的流速可以在约0.01m/小时和1500m/小
3
时之间。气流的流速(m/小时)可以是至少约0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10、20、30、40、50、
3
60、70、80、90、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000或1500。气流的流速(m/小时)可以小于约1500、1000、900、800、700、600、500、400、300、200、100、90、80、70、60、50、40、
30、20、10、5、1、0.5、0.1、0.05或0.01。这些流速的组合是可能的，例如气流的流速可以在约
3 3 3 3 3
0.01m/小时至约1500m/小时之间、在约5m/小时至约500m/小时之间、在约10m /小时至约
3 3 3 3 3
200m/小时之间、在约20m/小时至约600m/小时之间、或在约60m/小时至约1000m /小时之间。在基本上没有通过或穿过基于二氧化硅的气凝胶可测量的背压的情况下通过室和穿过至少一种基于硅烷的气凝胶的气流的流速可以实现。在一个替代的实施例或实例中，压力变化或吸力可以用于驱动气流的流体流动通过该装置。对于工业规模的应用，气流的流速
3
可以高达1000m/小时。

[0221] 该室可以具有任何合适的构造。在一些实施例或实例中，室包括在一端处包括入口和在相对端处包括出口的室。在一个实施例或实例中，如本文所述，基材可以以紧凑的方式定位或以其他方式填充在室内，以增加该容积内的表面积。

[0222] 如本文所述，该设备可以包括封闭基于二氧化硅的气凝胶的单个或多个室。在一些实施例或实例中，该设备可以包括两个或更多个封闭至少一种基于二氧化硅的气凝胶的室，该室与气流并联连接。在另一实施例或实例中，该设备可以包括至少三个室，在每个室中封闭至少一种基于二氧化硅的气凝胶，其中每个室可以与气流并联连接。在一些实施例或实例中，封闭在至少三个室中的基于二氧化硅的气凝胶可以在吸附和再生循环的不同区段中操作，以产生流出气流的连续流。

[0223] 在一些实施例或实例中，该工艺可以是循环方法，其中在由室封闭的基于二氧化硅的气凝胶中吸附CO2的步骤和通过在重复循环中操作至少一个解吸装置释放CO2的步骤，从而连续地产生流出气流。循环时间可以取决于吸附装置的配置、室的配置、解吸装置的类型、基于二氧化硅的气凝胶的组成、特定的基于二氧化硅的气凝胶的穿透点、饱和点和特性、温度、压力和其他工艺条件。在一些实施例或实例中，循环时间可以是约10分钟、15分钟、20分钟、30分钟、45分钟、60分钟(1小时)、2小时、5小时、10小时、24小时、48小时或36小时。

[0224] 在一些实施例或实例中，取决于是否使用加热和/或减压，解吸装置可以采取任何数量的形式。在一些实施例或实例中，该设备被设计成用于变压吸附，其中通过降低压力来实现解吸，例如使用真空泵从封闭基于二氧化硅的气凝胶的室周围抽空气体。在其他实施例或实例中，进行变温吸附以从基于二氧化硅的气凝胶中收集CO2。这可以使用直接加热方法来实现，或者在一些情况下使用磁感应摆动吸附来实现。

[0225] 在一些实施例或实例中，解吸装置可以包括变温吸附装置，其中加热基于二氧化硅的气凝胶。例如，操作至少一个解吸装置将基于二氧化硅的气凝胶加热至约60℃至140℃的温度。用于解吸的温度可以是至少约60、70、80、90、100、110、120、130或140℃。用于解吸的温度可以低于约140、130、120、110、100、90、80、70或60℃。这些温度的组合是可能的，例如，用于解吸的温度可以在约60℃至约140℃之间，在约70℃至约130℃之间，或在约80℃至约120℃之间。

[0226] 本公开提供了一种工艺，其中将含有一定浓度CO2的气流进料到与如本文所述基于二氧化硅的气凝胶吸附接触。在基于二氧化硅的气凝胶被充入一定量的CO2后，解吸装置被激活，迫使至少一部分CO2从基于二氧化硅的气凝胶中释放出来。解吸的基于二氧化硅的气凝胶可以使用次级过程来收集。

[0227] 换句话说，来自出口的流出气流可以流向各种次级过程。例如，对于二氧化碳捕获，本公开的吸附设备可以与液化器和/或干冰造粒机集成，以按需提供干冰。在另一实例中，本公开的吸附设备可以与氢化设备集成，以将二氧化碳(CO2)转化为甲烷。在又一个实例中，本公开的吸附设备可以用于吸附二氧化碳(CO2)并将其储存以用于在不同时间使用。这将适用于温室类型的环境，其中CO2在特定时间被吸附并且在不同时间被使用。在又一个实例中，本公开的吸附设备可以特别适用于受限空间中的CO2。例如，在潜水艇、宇宙飞船、航空器或其他封闭空间(如其中吸附设备将被用于去除CO2的房间)内，并且该设备能够在连续循环中吸附和解吸CO2。在另一实例中，本公开的吸附设备可以用于将CO2转化成液体燃料。在又一个实例中，本公开的吸附设备可以被包含在游泳池中以调节pH或者被注入到混凝土中(捕获和储存)。在又一个实例中，本公开的吸附设备可以用于给饮料如碳酸饮料和苏打水充气，并且在酿造工业和/或装瓶工业中找到应用。在又一个实例中，本公开的吸附设备可以用于控制水果和蔬菜的成熟。

[0228] 应当理解，可以基于气凝胶的密度来选择用于任何给定应用的基于二氧化硅的气凝胶配方。具有高密度的基于二氧化硅的气凝胶配方可以适合于任何装置，优选地适合于较小的装置。例如，具有高密度的气凝胶配方可以用于制备适合受限的空间或环境的CO2吸附‑解吸装置。这些类型的装置通常可以用于太空、航空航天、水下运载工具或平台。而当空间不成问题时，具有低密度的气凝胶配方可能是更合适的。例如，放置在温室或发电厂中的DAC单元涉及将CO2转化为甲烷。

[0229] 本公开的吸附设备有利地是紧凑的，并且可以被定位成更靠近终端用户，从而允许破坏性的供应机会和更好的客户价值。

[0230] 基于二氧化硅的气凝胶的CO2捕获/释放和再生的工艺

[0231] CO2可以通过被吸附到基于二氧化硅的气凝胶中而从气流中被捕获。在一些实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶能够吸附约10mg的CO2/g基于二氧化硅的气凝胶(mg/g)至约300mg/g CO2。在一些实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶能够吸附至少约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、150、200、250或300mg/gCO2。在其他实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶能够吸附小于约300、250、200、150、120、100、90、80、70、60、50、40、
30、20或10mg/g CO2。这些吸附值的组合是可能的，例如基于二氧化硅的气凝胶能够吸附约
10mg/g至约80mg/g的CO2，约20mg/g至约70mg/g的CO2，或约100mg/g至约300mg/g，或约
200mg/g至约300mg/g。例如，基于二氧化硅的气凝胶能够吸附在0.02毫巴下的约2mg/g至在
1110毫巴下的约100mg/g(在298K时)。

[0232] 在一些实施例中，从气流中可以去除至少约50％的CO2(例如，至少约50％的CO2从气流中被吸附到基于二氧化硅的气凝胶中)。在一些实施例或实例中，从气流中去除至少约50％、85％、90％、95％、99％或99.9％的CO2。在一些实施例中，从气流中去除约50％至约
99％的CO2。

[0233] 气流接触基于二氧化硅的气凝胶(例如，穿过包括基于二氧化硅的气凝胶的床)，在与基于二氧化硅的气凝胶接触后产生流出气流。如上所述，在与基于二氧化硅的气凝胶接触之前，气流具有初始CO2浓度。在与基于二氧化硅的气凝胶接触之后，流出气流具有流出CO2浓度。可以测量在与基于二氧化硅的气凝胶接触后的流出气流中的CO2的浓度，以确定气流中剩余的CO2的浓度。

[0234] 在一些实施例或实例中，随着时间的推移，在与基于二氧化硅的气凝胶接触之后，流出气流中的CO2的浓度可能增加，这表明在气流与基于二氧化硅的气凝胶接触时，CO2吸附减少或不再发生(例如，表明基于二氧化硅的气凝胶是“耗尽的”，并且很少或不再发生CO2吸附)。这可以充当替换和/或再生基于二氧化硅的气凝胶以继续CO2捕获的指示器。流出气流中CO2的浓度可以通过任何合适的手段测量，例如使用在线校准的腔衰荡IR光谱仪。

[0235] 在一些实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶可以被封闭在合适的室中，其中该室包括一个或多个入口和一个或多个出口，气流可以通过该入口流动以接触封闭在其中的基于二氧化硅的气凝胶，流出气流可以通过该出口从该室流出。可替代地，可以将基于二氧化硅的气凝胶封闭在包括一个或多个开口的合适室中，气流可以通过该开口扩散(例如，没有背压/流速)以接触封闭在其中的基于二氧化硅的气凝胶。应该理解，该室可以采取多种形式，只要气流可以接近基于二氧化硅的气凝胶。在一个实施例或实例中，该室可以是如本文所述的填充床柱。

[0236] 在一些实施例中，基于二氧化硅的气凝胶可以作为床提供，其中使气流与基于二氧化硅的气凝胶接触包括使气流穿过包括基于二氧化硅的气凝胶的床。在一个实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶作为填充床反应器提供。在其他实施例中，使气流与基于二氧化硅的气凝胶接触包括将基于二氧化硅的气凝胶的流引入到气流中，例如使用流化床反应器。

[0237] 基于二氧化硅的气凝胶可以与气流接触持续任何合适的时间段，例如直到基于二氧化硅的气凝胶耗尽并且不再发生CO2吸附。在一个实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶与气流接触，直到流出气流中CO2的浓度与气流中CO2的初始浓度相同。在一些实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶与气流接触持续至少约5秒、10秒、30秒、60秒(1分钟)、10分钟、15分钟、20分钟、30分钟、45分钟、60分钟(1小时)、2小时、5小时、10小时、24小时、48小时或36小时。

[0238] 在一些实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶提供不同的CO2吸附的速率。在一个实施例或实例中，CO2吸附的速率可以通过随时间监测流出气流的CO2浓度来测量。例如，在与基于二氧化硅的气凝胶接触约2小时后，流出气流中的CO2的浓度可以小于初始CO2浓度的约50％。在一些实施例或实例中，在与基于二氧化硅的气凝胶接触约4小时后，流出气流中的CO2的浓度可以小于初始CO2浓度的约5％(换句话说，在4小时后，至少约95％的CO2从气流中被去除)。其他CO2吸附的速率也是可能的。

[0239] 在一些实施例或实例中，基于二氧化硅的气凝胶的稳定性可以通过监测原始组合物随时间的性能来测量。例如，在三次捕获‑再生循环之后，在高湿度和740ppm的CO2浓度下，基于二氧化硅的气凝胶能够将其原始组成保持到其原始组成的至少80％。在另一实例中，在三次捕获‑再生循环之后，在低湿度和400ppm的低CO2浓度下，基于二氧化硅的气凝胶能够将其原始组成保持到其原始组成的至少99％。在又一个实例中，在三次捕获‑再生循环之后，在低湿度和925毫巴的高CO2浓度下，基于二氧化硅的气凝胶能够将其原始组成保持到其原始组成的至少99％。在一些实施例或实例中，在低CO2浓度下在低湿度或高湿度下，基于二氧化硅的气凝胶能够将其原始组成保持到其原始组成的至少80％、85％、90％、95％、97％或99％。基于二氧化硅的气凝胶可以稳定至少约2、3、5、10、15、20、50、100、150、
200、250、500、1000或2000次捕获‑再生循环。基于二氧化硅的气凝胶可以稳定超过50次捕获‑再生循环。

[0240] 发明人意外地显示，当CO2浓度为约400ppm时，本文制备的基于二氧化硅的气凝胶的CO2相对于H2O的选择性高于沸石(例如沸石13X)和MOF(例如，如在WO2020113281中描述的TIF‑SIX)。当CO2浓度为约400ppm时，基于二氧化硅的气凝胶的CO2相对于H2O的选择性可以比沸石13X和TIF‑SIX高至少2倍。当CO2浓度为约400ppm时，基于二氧化硅的气凝胶的CO2相对于H2O的选择性可以比沸石13X和TIF‑SIX高至少3倍。当CO2浓度为约400ppm时，基于二氧化硅的气凝胶的CO2相对于H2O的选择性可以比沸石13X和TIF‑SIX高至少4倍。

[0241] 在吸附在基于二氧化硅的气凝胶中之后的CO2可以通过断开CO2和胺基团之间的键来释放。这可以通过使用温度(通过加热)或压力(通过真空)来实现。这可能涉及加热含有基于二氧化硅的气凝胶的柱或穿过热气流(例如蒸汽)或热空气。这种解吸可以由能够提供加热的环境(例如，温度)或加压的环境(例如，通过真空)或其组合的任何合适的环境提供，该环境与基于二氧化硅的气凝胶接触或围绕基于二氧化硅的气凝胶，其可以解吸基于二氧化硅的气凝胶内吸附的至少一些CO2。这种解吸环境可以在“开”或“关”状态下操作。例如，一旦在与基于二氧化硅的气凝胶接触后的流出气流中的CO2浓度已经增加到表明CO2吸附减少或不再发生的水平，解吸环境可以被“开启”以从基于二氧化硅的气凝胶中解吸CO2。

[0242] 如本文公开的吸附过程可以在例如在约10℃至40℃的范围内的环境温度下进行。例如，环境温度可以在15℃和30℃之间，或20℃至25℃。该工艺通常可以在大约典型的大气压(例如，约20kPa至100kPa)下或在低压(例如，约0.01kPa至0.05kPa)下进行。

[0243] 如本文公开的解吸过程可以在例如约80℃至180℃的温度范围内进行。例如，温度可以是90℃至160℃，或100℃至140℃。

[0244] 如本文所述的使用基于二氧化硅的气凝胶的工艺也适用于具有低湿度或高湿度的环境。在这种情况下，低湿度意味着水蒸气分压小于约5mb。在约21℃时，这相当于约20％或更低的相对湿度。在这种情况下，高湿度意味着水蒸气分压大于约5mb。在约21℃时，这对应于大于约20％的相对湿度。相对湿度被定义如下。

[0245]

[0246] 水的饱和蒸汽压是熟知的并且根据温度而变化(Donald Ahrens,1994年《,今日气象学—天气、气候和环境导论(Meteorology Today‑an introduction to weather、climate and the environment)》,第五版‑西方出版公司(West Publishing Co))。因此，对于给定的相对湿度，水蒸气压力将随温度而变化。这方面的说明在下面提供(http://ww2010.atmos.uiuc.edu/％28Gh％29/guides/mtr/cld/dvlp/rh.rxml，2014年12月下载)。

[0247]

[0248] 虽然该工艺在具有低湿度的环境中使用是有效的，但在其他处理可能无效的较高湿度下也是有效的。换句话说，本工艺和基于二氧化硅的气凝胶的优点中的一个是它们可以在相对宽的应用范围内使用(例如，温度、压力和湿度的宽参数的组合)，并且特别是在宽的湿度范围内使用，尽管另一特别的优点是其在更高的湿度下使用。

[0249] 该工艺可以例如在小于约90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、18％、16％、14％、12％、10％、8％、6％、4％或2％的相对湿度下进行。该工艺可以在大于约1％、
2％、4％、6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％、20％、30％、40％、50％、60％或70％的相对湿度下进行。该工艺可以在这些值中的任何两个之间的相对湿度下进行，例如在约1％和约
90％之间，在约2％和约50％之间，在约70％和约80％之间，在约1％和约30％之间，或者在约2％和约5％之间。应当理解，对于给定的水蒸气分压，相对湿度取决于温度。水蒸气分压和温度是自变量，并且相对湿度(RH)是因变量，但是存在限制条件，即在任何特定温度下，相对湿度不能超过100％。例如，当温度在约10℃至45℃之间、在约15℃和40℃之间或在约
20℃至35℃之间时，可以提供上述相对湿度值中的任何一个或多个。上述相对湿度值可以是例如其中温度在约15℃、16℃、17℃、18℃、19℃、20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃、30℃、31℃、32℃、33℃、34℃、35℃、36℃、37℃、38℃、39℃、40℃、41℃、42℃、43℃、44℃或45℃的值。如目前公开的工艺的应用窗口可以是上述RH和温度范围或值的任何组合。例如，应用窗口可以是其中RH在约1％和约80％之间，并且温度在约15℃和约40℃之间的范围内。

[0250] 湿度可以由小于约60、50、40、30、20、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3或2的水蒸气分压(以mb计)提供。湿度可以由大于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、20、30、40、50、60的水蒸气分压(以mb计)提供。湿度可以由这些值中的任何两个之间的水蒸气分压(以mb计)提供，例如在约1和约50之间，如在约2和约25之间，如在约3和约15之间，如在约4和约10之间。湿度可以由根据如上所述的温度值或范围的给定温度来提供，尽管可以理解，温度值使得湿度不超过100％相对湿度或其部分蒸汽压不超过其饱和蒸汽压。在给定的温度下，对于这些水蒸气分压值中的任何一个，相对湿度可以例如小于约90％、80％、70％、
60％、50％、40％、30％或20％。

[0251] 本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的宽泛范围的情况下，可以对上述实施例进行多种变化和/或修改。因此，本发明的实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。

[0252] 实例

[0253] 为了更清楚地理解本公开，下面将参考以下非限制性的实验材料、方法和实例来更详细地描述本发明的特定实施例。

[0254] 实施例1主要基于二氧化硅的气凝胶及其胶凝化性质的概述

[0255] 发明人开发了基于各种硅烷(SiO2)及其各种组合的诱导的微孔气凝胶(表1)，用于CO2的直接空气捕获(DAC)的目的，以及它们对于0.5％、1％和100％ CO2浓度的性能。诱导的微孔气凝胶在环境条件下(298K和0.4毫巴)对CO2吸附具有选择性。微孔气凝胶被设计成具有以下有利性质：微孔性、疏水性、CO2选择性、用于捕获的环境CO2条件和再生能力。

[0256] 表1用于制备基于二氧化硅的气凝胶的各种硅烷(SiO2)基团

[0257]

[0258]

[0259] 表2：基于二氧化硅的气凝胶及其在298K时对于0.04％(直接空气捕获0.4毫巴)、0.5％、1％和100％ CO2浓度的CO2吸收性能的列表

[0260]

[0261] *TIF‑SIX(MOF)仅被包含用于比较

[0262] 表3选择的基于二氧化硅的气凝胶的胶凝化性质

[0263]候选物 胶凝化的水平
A 高
B 高
C 低/无—需要添加水来引发胶凝化
D 中等—需要冷冻干燥来引发胶凝化
E 高
K 高
L 中等/低
M 中等
N 中等
O 中等
P 中等
Q 中等
R 低/无
S 非常低/无
T 非常低/无

[0264] 实例2用于制备基于二氧化硅的气凝胶的一般工艺

[0265] 所有试剂如原样接收使用而无需任何纯化。剩余的试剂被储存在惰性环境(N2填充手套袋)中，以避免硅烷的任何水解。

[0266] 氨基取代的硅烷、烷基取代的硅烷和硅酸盐中的任何两种或多种的组合可以加入到乙醇和水的水溶液中。包括硅烷的水溶液可以被混合以形成湿凝胶基质。缓冲剂(例如，NH3、NH4HCO3)或酸(例如HCl酸溶液)可以任选地添加到湿凝胶基质中，并且任选地随后添加碱性溶液(例如NaOH溶液)。然后湿凝胶基质可以用水冲洗/浸泡，并且任选地在稍微升高的温度下加热。可以使用干燥方法来干燥包括湿凝胶基质的水溶液，以提供干燥的基于二氧化硅的气凝胶。

[0267] 实例2a‑候选物A

[0268] (i)向3.6mL的AR级乙醇中加入以下物质：8毫摩尔(1.672mL，1.531g)的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APEMS)、8毫摩尔(1.594mL，1.426g)的三乙氧基甲基硅烷(TEMS)和4毫摩尔(0.892mL，0.833g)的原硅酸三乙酯(TEOS)。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以合并。向合并的溶液中加入0.600mL的水，将溶液涡旋以混合，并且将密封的容器在烘箱中在80℃下加热6小时以形成凝胶。允许样品冷却至室温过夜。然后将凝胶在10mL的水中分解，并通过多孔玻璃料过滤。凝胶在多次水冲洗期间被进一步浸泡2小时。然后将凝胶在约
50℃的真空烘箱中干燥过夜。

[0269] (ii)向3.6mL的AR级乙醇中加入以下物质：8毫摩尔(1.672，1.531g)的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APEMS)、8毫摩尔(1.594mL，1.426g)的三乙氧基甲基硅烷(TEMS)和4毫摩尔(0.892mL，0.833)的原硅酸三乙酯(TEOS)。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以合并。向合并的溶液中加入1.00mL的2M HCl，将溶液涡旋以混合，并将密封的容器在60℃下加热过夜。允许液体冷却至室温，并加入1.00mL的2M NaOH，将溶液涡旋以混合，并且将密封的容器在60℃下加热过夜以形成凝胶。然后将凝胶在10mL的水中分解，并通过多孔玻璃料过滤。凝胶在多次水冲洗期间被进一步浸泡2小时。然后将凝胶在约50℃的真空烘箱中干燥过夜。

[0270] (iii)向3.6mL的AR级乙醇中加入以下物质：8毫摩尔(1.672，1.531g)的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APEMS)、8毫摩尔(1.594mL，1.426g)的三乙氧基甲基硅烷(TEMS)和4毫摩尔(0.892mL，0.833g)的原硅酸三乙酯(TEOS)。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以合并。向合并的溶液中加入0.600mL的2M NH3(水溶液)，将溶液涡旋以混合，并且将密封的容器在烘箱中在80℃下加热6小时以形成凝胶。允许样品冷却至室温过夜。然后将凝胶在
10mL的水中分解，并通过多孔玻璃料过滤。凝胶在多次水冲洗期间被进一步浸泡2小时。然后将凝胶在约50℃的真空烘箱中干燥过夜。

[0271] 实例2b‑候选物B

[0272] 向3.6mL的AR级乙醇中加入以下物质：8毫摩尔(1.672mL，1.531g)的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APEMS)、4毫摩尔(0.797mL，0.713g)的三乙氧基甲基硅烷(TEMS)和8毫摩尔(1.784mL，1.667g)的原硅酸三乙酯(TEOS)。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以合并。向合并的溶液中加入0.600mL的水，将溶液涡旋以混合，并且将密封的容器在烘箱中在80℃下加热6小时以形成凝胶。允许样品冷却至室温过夜。然后将凝胶在10mL的水中分解，并通过多孔玻璃料过滤。凝胶在多次水冲洗期间被进一步浸泡2小时。然后将凝胶在约50℃的真空烘箱中干燥过夜。

[0273] 实例2c‑候选物C

[0274] (i)向4.0mL的AR级乙醇中加入以下物质：8毫摩尔(1.672mL，1.531g)的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APEMS)、12毫摩尔(2.297mL，2.139g)的三乙氧基甲基硅烷(TEMS)。加入1.5mL的水和0.80mL(约8毫摩尔)的32％的盐酸。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以合并。合并的溶液保持在室温下过夜。加入固体NaOH(0.425g，10.6毫摩尔)，第二天使溶液变浑浊，并且加入1.0mL的水，产生澄清溶液。在5天后，通过离心机(5000rpm)收集沉淀物，并在10mL的水中冲洗，重复五次。然后将凝胶在约50℃的真空烘箱中干燥过夜。

[0275] (ii)向3.6mL的AR级乙醇中加入以下物质：8毫摩尔(1.672mL，1.531g)的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APEMS)和12毫摩尔(2.403mL，2.139g)的三乙氧基甲基硅烷(TEMS)。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以合并。向合并的溶液中加入0.600mL的水，将溶液涡旋以混合，并且将密封的容器在烘箱中在80℃下加热6小时以老化。允许老化的溶液冷却至室温。然后加入20mL的水，允许凝胶形成。通过多孔玻璃料过滤该产物。凝胶在多次水冲洗期间被进一步浸泡2小时。然后将凝胶在约50℃的真空烘箱中干燥过夜。

[0276] (iii)向4.5mL的AR级乙醇中加入以下物质：20毫摩尔(4.178mL，3.827g)的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APEMS)、30毫摩尔(5.977mL，5.349g)的三乙氧基甲基硅烷(TEMS)。1.5mL的水。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以合并。将合并的溶液在60℃下加热过夜。溶液保持澄清，并且加入的20mL水，使溶液变浑浊，并再次在60℃下加热过夜。然后将形成的凝胶在至少10倍过量的水中洗涤，重复三次。然后将凝胶在约50℃的真空烘箱中干燥过夜。

[0277] 实例2d‑候选物D

[0278] 向3.6mL的AR级乙醇中加入以下物质：12毫摩尔(2.808mL，2.656g)的3‑氨基丙基(三乙氧基)硅烷(APTES)、4毫摩尔(0.797mL，0.713g)的三乙氧基甲基硅烷(TEMS)和4毫摩尔(0.892mL，0.833g)的原硅酸三乙酯(TEOS)。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以合并。加入0.600mL的水，将溶液涡旋以混合，并且将密封的容器在烘箱中在80℃下加热6小时。允许样品冷却至室温过夜。然后将凝胶在10mL的水中分解，并通过多孔玻璃料过滤。凝胶在多次水冲洗期间被进一步浸泡2小时。然后将凝胶在冷冻干燥机中干燥过夜。

[0279] 将凝胶在10mL的水中分解，并浸泡一小时，然后允许其沉降，并且倒出水。这个过程被重复五次。通过加入约50mL的水最终收集固体，并将总量冷冻干燥。

[0280] 实例2e‑候选物E

[0281] 向3.6mL的AR级乙醇中加入以下物质：8毫摩尔(1.672mL，1.5321g)的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APEMS)、8毫摩尔(1.720mL)的三乙氧基(乙基)硅烷(TEES)和4毫摩尔(0.892mL，0.833g)的原硅酸三乙酯(TEOS)。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以形成均匀的溶液。向该溶液中加入0.6mL的水，然后在80℃下温育6小时。将形成的凝胶打碎，并且用过量的水冲洗，并通过过滤收集。凝胶在55℃的烘箱中在减压下干燥。

[0282] 实例2f‑候选物J

[0283] 向3.6mL的AR级乙醇中加入以下物质：8毫摩尔(1.39mL，1.43g)的3‑氨基丙基(三乙氧基)硅烷(APTES)、4毫摩尔(0.797mL，0.713g)的三乙氧基甲基硅烷(TEMS)、4毫摩尔(0.892mL，0.833g)的原硅酸三乙酯(TEOS)和4毫摩尔(0.593g，0.685mL)的二甲基二乙氧基硅烷。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以合并。加入0.600mL的水，将溶液涡旋以混合，并且将密封的容器在烘箱中在80℃下加热6小时。允许样品冷却至室温过夜。然后将凝胶在10mL的水中分解，并通过多孔玻璃料过滤。凝胶在多次水冲洗期间被进一步浸泡2小时。然后将凝胶在冷冻干燥机中干燥过夜。

[0284] 实例2g‑候选物K

[0285] 向3.6mL的AR级乙醇中加入以下物质：8毫摩尔(1.672mL，1.5321g)的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APEMS)、4毫摩尔(0.797mL，0.713g)的三乙氧基甲基硅烷(TEMS)、4毫摩尔(0.860mL)的TEES，4毫摩尔(0.892mL，0.833g)的原硅酸三乙酯(TEOS)。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以形成均匀的溶液。向其中加入0.6mL的水，然后在80℃下温育6小时。将形成的凝胶打碎，并用过量的水冲洗，并且通过过滤收集。凝胶在减压(‑80kPa)下在55℃的烘箱中干燥。

[0286] 实例2h‑候选物L

[0287] 向3.6mL的AR级乙醇中加入以下物质：12毫摩尔(2.507mL，2.296g)的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APEMS)、4毫摩尔(0.801mL，0.713g)的三乙氧基甲基硅烷(TEMS)和4毫摩尔(0.887mL，0.833g)的原硅酸三乙酯(TEOS)。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以合并。向合并的溶液中加入0.600mL的水，将溶液涡旋以混合，并且将密封的容器在烘箱中在80℃下加热6小时以形成凝胶。允许样品冷却至室温过夜。然后凝胶用10mL的水打碎，然后以80rpm振荡约2小时。随后通过多孔玻璃料过滤。凝胶进一步用水洗涤，并在60ppm时振荡约2小时，并且通过玻璃料过滤。重复这些清洗程序三次。然后将凝胶在约50℃的真空烘箱中干燥过夜，或在通风橱中在室温下干燥，直到完全干燥。

[0288] 实例2i‑候选物M

[0289] 向3.6mL的AR级乙醇中加入以下物质：12毫摩尔(2.507mL，2.296g)的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APEMS)、2毫摩尔(0.401mL，0.356g)的三乙氧基甲基硅烷(TEMS)、2毫摩尔(0.430mL，0.385g)的三乙氧基(乙基)硅烷(TEES)和4毫摩尔(0.887mL，0.833g)的原硅酸三乙酯(TEOS)。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以合并。向合并的溶液中加入0.600mL的水，将溶液涡旋以混合，并且将密封的容器在烘箱中在80℃下加热6小时以形成凝胶。允许样品冷却至室温。然后凝胶用10mL水打碎，然后以80rpm振荡约2小时。随后通过多孔玻璃料过滤。凝胶进一步用水洗涤，并在60ppm时振荡约2小时，并且通过玻璃料过滤。重复这些清洗程序三次。然后将凝胶在约50℃的真空烘箱中干燥过夜，或在通风橱中在室温下干燥，直到完全干燥。

[0290] 实例2j‑候选物N

[0291] 向3.6mL的AR级乙醇中加入以下物质：10毫摩尔(2.089mL，1.913)的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APEMS)、3毫摩尔(0.601mL，0.535g)的三乙氧基甲基硅烷(TEMS)、3毫摩尔(0.645mL，0.577g)的三乙氧基(乙基)硅烷(TEES)和4毫摩尔(0.887mL，0.833g)的原硅酸三乙酯(TEOS)。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以合并。向合并的溶液中加入0.600mL的水，将溶液涡旋以混合，并且将密封的容器在烘箱中在80℃下加热6小时以形成凝胶。允许样品冷却至室温。将凝胶打碎，并用过量的水冲洗三次，并且通过过滤收集。然后将凝胶在约50℃的真空烘箱中干燥过夜。

[0292] 实例2k‑候选物O

[0293] 向3.6mL的AR级乙醇中加入以下物质：10毫摩尔(2.089mL，1.913g)的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APEMS)、5毫摩尔(1.001mL，0.891g)的三乙氧基甲基硅烷(TEMS)和5毫摩尔(1.108mL，1.042g)的原硅酸三乙酯(TEOS)。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以合并。向合并的溶液中加入0.600mL的水，将溶液涡旋以混合，并且将密封的容器在烘箱中在80℃下加热6小时以形成凝胶。允许样品冷却至室温。将凝胶打碎，并用过量的水冲洗三次，并且通过过滤收集。然后将凝胶在约50℃的真空烘箱中干燥过夜。

[0294] 实例2l‑候选物P

[0295] 向3.6mL的AR级乙醇中加入以下物质：12毫摩尔(2.507mL，2.296g)的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APEMS)和8毫摩尔(1.773mL，1.667g)的原硅酸三乙酯(TEOS)。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以合并。向合并的溶液中加入0.600mL的水，将溶液涡旋以混合，并且将密封的容器在烘箱中在80℃下加热6小时以形成凝胶。允许样品冷却至室温过夜。然后用10mL的水打碎凝胶，然后以80rpm振荡约2小时。随后通过多孔玻璃料过滤。凝胶用水进一步洗涤，并在60ppm时振荡约2小时，并且通过玻璃料过滤。重复这些清洗程序三次。然后将凝胶在约50℃的真空烘箱中干燥过夜，或在通风橱中在室温下干燥，直到完全干燥。

[0296] 实例2m‑候选物Q

[0297] 向3.6mL的AR级乙醇中加入以下物质：12毫摩尔(2.507mL，2.296g)的3‑氨基丙基(二乙氧基)甲基硅烷(APEMS)、4毫摩尔(0.860mL，0.769g)的三乙氧基(乙基)硅烷(TEES)和4毫摩尔(0.887mL，0.833g)的原硅酸三乙酯(TEOS)。在每次添加时，手动涡旋溶液1秒钟以合并。向合并的溶液中加入0.600mL的水，将溶液涡旋以混合，并且将密封的容器在烘箱中在80℃下加热6小时以形成凝胶。允许样品冷却至室温。然后用10mL的水打碎凝胶，然后以
80rpm振荡约2小时。随后通过多孔玻璃料过滤。凝胶进一步用水洗涤，并在60ppm时振荡约2小时，并且通过玻璃料过滤。重复这些清洗程序三次。然后将凝胶在约50℃的真空烘箱中干燥过夜，或在通风橱中在室温下干燥，直到完全干燥。

[0298] 实例3性能和特征数据

[0299] 如实例2中所定义的，对基于二氧化硅的气凝胶进行了以下性能测量，以确定它们的直接空气容量：

[0300] I.CO2气体吸附

[0301] II.H2O蒸汽吸附

[0302] III.CO2穿透测试

[0303] IV.N2气体吸附法以确定表面积

[0304] V.吸附和解吸循环

[0305] 以下表征方法已经用于理解材料结构：

[0306] i.PALS(正电子湮没寿命谱)–使用PALS为候选物A、B、C和D确定的孔径分布在图1a中示出。J、P、M和L的孔径分布在图1b中示出，并且使用N2气体确定。

[0307] ii.密度‑在图1c(颗粒密度)和图1d(堆积密度)中示出了在不同压力下候选物A、B、D、E和K的密度相对于CO2吸收量的关系。

[0308] iii.热稳定性和活化概况

[0309] 实例3a‑性能数据

[0310] I)CO2气体吸附

[0311] 本节中介绍的信息强调了操作作为直接空气捕获CO2的吸附剂的基于二氧化硅的气凝胶的性能。表6总结了最佳候选气凝胶的性质，其包含BET表面积、固体材料的密度和各种CO2捕获的性能。如前所述，对于直接空气捕获，气凝胶需要吸附0.4毫巴的CO2，这相当于大气中400ppm的CO2。气凝胶在298K的环境温度下进行，并且CO2性能单位以mmol/g、mg/g和CO2重量％提供。应当理解，表面积BET(m2/g)提供了气体(例如候选气凝胶的固体表面上的N2气体)的物理吸附信息。使用N2气体的表面积BET需要气体分子能够进入可进入的孔隙，以确定固有的表面积和孔隙率。表面积BET不是这些气凝胶的CO2容量的性能指标，并且事实上可以是候选气凝胶的微孔隙率的水平的一般指标。例如，发明人惊奇地发现表面积不是气凝胶吸附CO2的程度的量度。出乎意料的是，具有低表面积的气凝胶提供了优异的CO2吸附。

[0312] 作为性能指南，TIF‑SIX是基准和已知的以执行CO2的直接空气捕获。如本文所述，这些新颖的基于二氧化硅的气凝胶令人惊讶地改善了TIF‑SIX(参见表2)的直接空气捕获的性能。

[0313] 在表4中提供了选择的基于二氧化硅的气凝胶的CO2吸附性能细节。在图2至图18中提供了在298K时所有候选材料的CO2等温线。

[0314] 表4选择了基于二氧化硅气凝胶的性质，其包含BET表面积、密度和在不同压力下从CO2气体吸附等温线中吸收的CO2重量％

[0315]

[0316] *0.4毫巴压力相当于空气中400ppm的大气CO2，150毫巴相当于具有15％ CO2浓度的烟气条件，并且925毫巴相当于100％ CO2。

[0317] 实例3b性能数据

[0318] II)H2O蒸汽吸附

[0319] 对于直接空气捕获来说期望的是，气凝胶包括疏水性的元素。这使得材料在从空气中吸附CO2时不会竞争水的吸附。这是气凝胶在各种相对湿度环境中操作所需要的特征。APEMS、TEMS、TEES和/或DMDES的引入能够实现两个主要的改进：1)增加疏水性和2)诱导微多孔性以形成直径小于2nm的孔，从而能够实现相对于H2O的CO2选择性。表5呈现了每种基于二氧化硅的气凝胶中使用的SiO2单元。H2O吸附性能等温线在图19中提供。

[0320] 表5基于二氧化硅的气凝胶的SiO2单元的组成

[0321]

[0322] 实例3c性能数据

[0323] III)CO2穿透测试

[0324] 对于动态性能测试，在干燥条件和潮湿条件下进行CO2穿透实验。图20示出了候选物A、B和D在干燥和潮湿(70‑80％ RH)条件下在740ppm的CO2浓度时的穿透曲线。图21呈现了在20sccm流速下在干燥和潮湿(70‑80％ RH)条件下，在500ppm和740ppm时候选B的穿透曲线。在740ppm时CO2的浓度增加示出了更快的穿透时间，但是更高的CO2容量。表6提供了在400ppm(DAC)、740ppm和10,000ppm时进行的在干燥和潮湿条件下的CO2重量％容量。图22呈现了针对标准DAC材料沸石13X的穿透曲线。图22和表6出人意料地显示，微孔候选物优于沸石13X，并且更重要的是，在存在湿度的情况下可以持续捕获CO2。

[0325] 表6基于二氧化硅的气凝胶的穿透性CO2重量％容量

[0326]

[0327] 实例3d性能数据

[0328] IV)N2气体吸附

[0329] 在77K时测量N2吸附容量，并且从该数据可以确定BET表面积。在图23‑28中提供了N2吸附等温线，并且表7提供了候选气凝胶的BET表面积。根据表7，存在一系列低BET表面积，这可能是由于N2无法进入孔隙，因为与具有 直径的CO2气体相比，N2气体具有的大动力学直径。

[0330] 表7候选材料的BET表面积范围，在77K吸附等温线从N2计算

[0331]

[0332]

[0333] 实例3e性能数据

[0334] v)吸附CO2循环

[0335] 图29至31示出了在各种条件下候选气凝胶在连续吸附/解吸循环后令人惊讶的出乎意料的优异性能，其中在每个循环之间进行活化。

[0336] 图32和33提供了穿透性实验的信息，其中候选气凝胶的循环性能优于沸石13X。这是在740ppm CO2浓度水平操作的干燥和潮湿条件下进行的。

[0337] 实例4基于二氧化硅的气凝胶的粒料形成的一般过程

[0338] (i)压制的粒料的制备：将粘合剂和石墨与干燥的基于二氧化硅的气凝胶混合，确保所有组分均匀地混合。调节压制压力和填充深度以形成期望厚度的固体粒料。较低的压力(即设置3)通常与较小的填充深度相关，以生产坚固耐用的粒料。更高的压力(即设置5)需要更大的填充深度。两种组合都产生了所需厚度范围的粒料。

[0339] (ii)粒料的基于浆料的挤出物的制备：通过在带螺纹盖的瓶中将以下的50mL的每种乙醇和水组合到3g的硅氧烷溶液来制备基于纤维素/硅氧烷溶液的粘合剂。向该混合物中加入3g的纤维素，每份100mg。在每次加入后，连续地搅拌浆料，直到纤维素溶解。在加入所有剩余的纤维素后，混合浆料，直到获得粘稠溶液的稠度。对基于二氧化硅的气凝胶进行筛分，以获得尺寸<200mm的颗粒。任选地，可以根据需要使用润滑剂(例如硬脂酸镁)来调节可挤出材料的粘度。

[0340] 用于液体挤出的一般方法涉及使用10mL塑料注射器，其带有2.0mm内螺纹Luer‑lock倒钩附件。这使得能够以0.5‑2g的规模挤出经配制的糊剂。

[0341] 将基于二氧化硅的气凝胶和粘合剂组合，并使用刮刀加工成糊剂。用温和的氮气流使溶剂缓慢地蒸发，在暴露约2‑3分钟后，这提供了料团状糊剂。将料团推过装配有2.0倒钩的5mL 10mL注射器。形成面条状挤出物，并将粒料单独切成约3‑4mm长。在室温下干燥粒料，然后在真空(0.1毫巴)下在80℃下进一步干燥12小时。

[0342] 实例4a‑候选物B

[0343] 根据上述(i)中描述的方法，通过将11g的粘合剂和1.58g的石墨与66g的候选物B混合，直到所有组分均质混合，来形成粒料。调节压制压力和填充深度以形成候选物B的期望的厚度的固体粒料。

[0344] 实例4b‑候选物E

[0345] 根据上述(ii)中描述的方法，通过根据(ii)制备粘合剂溶液和使用0.62g候选物E(在<200mm下筛分)、2.92g纤维素/硅氧烷粘合剂、0.06mg硬脂酸镁(润滑剂)制备的基于二氧化硅的气凝胶配方，来形成粒料。将粘合剂溶液和基于二氧化硅的气凝胶配方组合，并使用刮刀加工成糊剂。用温和的氮气流使容积缓慢地蒸发，这在暴露2‑3分钟后提供了料团状糊剂。将料团推过装配有2.0倒钩的5mL 10mL注射器。形成面条状挤出物，并将粒料单独切成3‑4mm长。在室温下干燥粒料，然后在真空(0.1毫巴)下在80℃下进一步干燥12小时。

[0346] 实例4c‑候选物K

[0347] 根据上述(i)中描述的方法，通过将15.38g的粘合剂和1.54g的石墨与60g的候选物K混合，直到所有组分均质混合，来形成料粒。调节压制压力和填充深度以形成候选物k的期望的厚度的固体颗粒。

[0348] 实例5基于二氧化硅的气凝胶的造粒性质

[0349] 基于二氧化硅的气凝胶粒料的性质通过选择粘合剂类型和量来确定。发明人意外地发现，粘合剂的类型和用量将决定粒料是否可以被压制或挤出，并且将取决于具体的应用(例如，用于DAC装置的粒料相对于其中粒料形成不相关的涂层，并且替代地，配方的粘度变得重要。

[0350] 根据具体应用，气凝胶产品优选地为粒料形式(例如DAC装置)。因此，对粘合剂类型、候选物类型和粘合剂含量进行了研究，旨在获得坚固的强度和优异的CO2吸收性能。

[0351] 表8总结了各种粘合剂的发现以及对同一候选物的粒料的强度的影响。结果表明，就最终粒料的强度而言，NH2硅氧烷粘合剂与其他粘合剂相比表现良好。

[0352] 表8候选物A的粘合剂类型相对于基于二氧化硅的气凝胶粒料的强度

[0353] 粘合剂 粘合剂的量(重量％) 形状成形 可压制性/可切割性二氧化硅/羟丙基纤维素 29 否 否/否
NH2硅氧烷 35 是 是/是
聚(乙烯醇) 35 是 是/否
低分子量聚乙二醇 25 是 是/是
甲基纤维素/聚(丙二醇) 25 是 是/是
聚(乙烯醇) 36 是 是/否
聚甲基硅氧烷 36 是 是/否
聚二甲基硅氧烷 30 是 是/否
聚乙烯吡咯烷酮 30 是 是/否

[0354] 表9总结了与NH2硅氧烷粘合剂组合制备的粒料形式的不同气凝胶候选物的造粒性质。结果表明，在测试的候选物中，候选物L提供了最强的粒料组合和优异的性能。

[0355] 表9对于NH2硅氧烷，候选物相对于基于二氧化硅的气凝胶粒料的强度

[0356] 候选物 粘合剂 粘合剂的量(重量％) 形状成形 可压制性/可切割性A NH2硅氧烷 35 是 是/否
B NH2硅氧烷 13 是 是/否
B NH2硅氧烷 24 是 是/是
L NH2硅氧烷 23 是 是/是

[0357] 表10总结了粘合剂的量对气凝胶粒料强度和性能的影响。结果表明，当粘合剂的量小于约10重量％时，与NH2硅氧烷粘合剂组合的候选物L的气凝胶粒料强度变差。

[0358] 表10对于具有NH2硅氧烷的候选物L，粘合剂的量相对于基于二氧化硅的气凝胶粒料的强度

[0359] 候选物 粘合剂 粘合剂的量(重量％) 形状成形 可压制性/可切割性L NH2硅氧烷 10 是 是/否
L NH2硅氧烷 20 是 是/是
L NH2硅氧烷 30 是 是/是
L NH2硅氧烷 43 是 是/是

[0360] 实例6基于二氧化硅的气凝胶粒料的水吸附性质

[0361] 图34提供了候选气凝胶粒料与TIF‑SIX粒料和13X沸石粒料相比的水吸附的信息。这是在298K时操作的干燥和潮湿条件下进行的。结果表明，与沸石13X或TIF‑SIX粒料不同，候选气凝胶粒料不提供良好的水吸附性质，令人惊讶地使本发明的基于二氧化硅的气凝胶粒料在选择性吸附CO2方面优越得多。