机械化学合成CALF-20用于变温吸附捕集CO₂的热力学与动力学研究

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摘要：
本文研究了机械化学合成的锌基金属有机框架CALF-20在燃烧后变温吸附（TSA）捕集CO₂的潜力。该合成方法减少溶剂使用和反应时间，且保持材料结构完整。在28-130℃、CO₂体积浓度3%-20%条件下，于固定床反应器中测试其吸附-脱附性能，结果显示其CO₂吸附容量最高达2.55 mmol/g，吸附过程以物理吸附为主，经10次TSA循环性能稳定。

研究背景：
1. 行业问题和研究现状：CO₂排放引发气候问题，燃烧后捕集是重要减排途径，MOFs材料因高比表面积等优势成为吸附剂研究热点，但传统合成方法溶剂用量大、耗时久。
2. 本文创新：采用少溶剂机械化学法合成CALF-20，缩短反应时间、降低能耗，同时系统研究其热力学和动力学特性，明确其在TSA中的应用潜力。

实验部分：
1. 材料合成：以草酸锌和1,2,4-三唑为原料，甲醇为辅助液，机械研磨30分钟（CALF20BM05H）和1小时（CALF20BM1H），经水洗、离心、干燥和活化处理。
2. 吸附实验：在固定床反应器中，于28-130℃、CO₂分压0.03-0.2 atm条件下进行吸附测试，记录穿透曲线，计算吸附容量等参数。
3. 脱附与循环实验：采用N₂吹扫，在40-150℃下进行脱附测试；在吸附28℃、脱附150℃条件下进行10次循环测试。

分析测试：
1. XRD分析：两种样品均形成CALF-20相，晶粒尺寸分别为65±2 nm和171±4 nm，结晶度随研磨时间增加而提升。
2. SEM分析：CALF20BM05H颗粒尺寸100-200 nm，CALF20BM1H晶体更大，无明显杂质相。
3. 氮气吸附-脱附：BET比表面积分别为338±10 m²/g和350±15 m²/g，为微孔材料。
4. 热力学分析：Sips模型拟合度高（R²>0.99），28℃时qₘ=4.065 mmol/g，Qst为22-29 kJ/mol，表明物理吸附。
5. 动力学分析：伪一级动力学模型拟合最佳（R²>0.999），活化能15.5 kJ/mol，符合物理吸附特征。

总结：
1. 主要研究结果：CALF-20吸附容量高、循环稳定，吸附为物理吸附，脱附效率受温度影响显著。
2. 创新突破：少溶剂机械化学合成工艺绿色高效，明确了CALF-20在TSA中的应用特性。
3. 潜在意义：为MOFs材料规模化合成及CO₂捕集技术工业化提供参考。

CALF-20 obtained by mechanochemical synthesis for temperature swing adsorption CO₂ Capture: A thermodynamic and kinetic study
文章作者：Federica Raganati, Mariangela Bellusci, Francesco Leardi, Francesca Varsano, Paola Ammendola
DOI：10.1016/j.cej.2025.159966
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159966

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