【MOF-177】室温下具有超高二氧化碳储存容量的金属有机框架

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摘要：
研究者合成并表征了9种金属有机框架（MOFs），通过重力法测定其室温下二氧化碳吸附容量。结果显示，MOF-177的二氧化碳吸附容量最高，达33.5 mmol/g（35 bar），远超沸石13X（7.4 mmol/g）和MAXSORB碳（25 mmol/g）；部分IRMOFs系列MOF的吸附等温线呈S型，且MOFs的吸附台阶压力与孔径相关，可通过功能化调控吸附性能。

研究背景：
1.行业问题和研究现状：电厂烟道气中二氧化碳脱除常用冷却加压或胺水溶液吸附法，成本高、效率低；其他方法如氧化物化学吸附、多孔材料物理吸附，存在吸附可逆性差或难以分子级调控容量的问题。沸石13X室温下二氧化碳吸附容量最高仅7.4 mmol/g（32 bar），MAXSORB碳为25 mmol/g（35 bar）。
2.本文创新：选用具有有序结构、高稳定性和高孔隙率的MOFs材料，系统研究9种不同结构与功能的MOFs的二氧化碳吸附性能；发现MOF-177等MOFs具有超高吸附容量，且可通过孔径和官能团调控吸附特性，为二氧化碳储存提供新方向。

实验部分：
1.MOFs合成与活化：如MOF-2由ZnCl₂与对苯二甲酸（H₂BDC）在DMF中反应，经水洗、真空加热（60℃至150℃）活化，得比表面积345 m²/g样品；MOF-177由Zn(NO₃)₂·6H₂O与4,4',4''-苯-1,3,5-三基三苯甲酸（H₃BTB）在DEF中100℃反应20小时，CHCl₃交换后125℃真空活化6小时，比表面积4508 m²/g。
2.二氧化碳吸附测试：惰性气氛下，将活化后的MOF样品置于高压吸附装置，室温下逐步增加二氧化碳压力，平衡后记录重量变化并校正浮力，绘制吸附等温线。
3.参比材料测试：活化碳（Norit RB2）经300℃加热5小时活化（比表面积1184 m²/g），同条件下测试二氧化碳吸附性能作参比。

分析测试：
1.BET比表面积与孔容分析：MOF-2比表面积345 m²/g、孔容0.136 cm³/g；MOF-177比表面积4508 m²/g、孔容1.75 cm³/g；9种MOFs比表面积345-4508 m²/g，孔容0.136-1.75 cm³/g，表明孔隙结构差异显著。
2.粉末X射线衍射（PXRD）与热重分析（TGA）：PXRD证实活化后MOFs晶体结构与模拟一致；TGA显示MOFs在300℃以下热稳定，如MOF-177在700℃前无明显重量损失，说明其高热稳定性。
3.二氧化碳吸附性能测试：35 bar下，MOF-177吸附容量33.5 mmol/g，IRMOF-1为21.7 mmol/g，Cu₃(BTC)₂为10.7 mmol/g；IRMOFs-3、6、11、1吸附等温线呈S型，MOF-2、MOF-505等为I型等温线，台阶压力随孔径减小而降低。
4.机理总结：MOFs二氧化碳吸附容量与比表面积正相关，官能团影响吸附作用（如IRMOF-3的氨基增强与CO₂相互作用），孔径决定吸附台阶压力，实现吸附性能调控。

总结：
1.主要研究结果：确定MOF-177为室温下超高CO₂吸附容量材料，揭示MOFs结构与CO₂吸附性能关系，建立参比材料对比体系。
2.创新突破：首次系统验证MOFs在CO₂储存的优势，发现官能团与孔径对吸附性能的调控作用，实现吸附容量与压力匹配的精准设计。
3.潜在意义：为电厂烟道气CO₂脱除提供高效材料，推动MOFs在气体分离领域应用，为多孔材料吸附性能优化提供理论依据。

Metal-Organic Frameworks with Exceptionally High Capacity for Storage of Carbon Dioxide at Room Temperature
文章作者：Andrew R. Millward, Omar M. Yaghi
DOI：10.1021/ja0570032
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja0570032

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