仿生金属有机框架用于痕量二氧化碳捕获 | 上海楷树化学科技有限公司

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仿生金属有机框架用于痕量二氧化碳捕获

摘要：
通过温和的配体交换及热活化工艺，在锌苯并三唑基金属有机框架（MOF）中构建出类碳酸酐酶活性位点的亲核Zn−OH基团，所得材料[Zn(ZnOH)₄(bibta)₃]（2*）具有优异的痕量CO₂捕获性能，可在温和温度下再生，团簇间氢键作用强化了CO₂固定机制。

研究背景：
1. 行业问题和研究现状：液胺洗涤等传统痕量CO₂捕获技术能耗高，胺功能化吸附剂易因氧化或挥发降解，现有固体吸附剂在容量、稳定性等方面仍需提升。
2. 本文创新：借鉴α-碳酸酐酶的CO₂固定机制，通过温和后合成修饰在MOF中引入强亲核性Zn−OH位点，利用簇间氢键协同作用优化低压力下CO₂吸附性能。

实验部分：
1. 材料合成：以Zn(OAc)₂·2H₂O和H₂bibta为原料，在DMF和乙酸混合体系中分步升温合成MOF 1；将1浸泡在0.1M NaHCO₃水溶液中进行配体交换，经水洗、THF洗涤得到MOF 2，100℃高真空活化获得2*。
2. 吸附性能测试：在300K下测定2*对CO₂、N₂、O₂的吸附等温线，在0.4mbar（模拟大气CO₂浓度）下CO₂吸附量达2.20mmol/g。
3. 循环稳定性测试：模拟空气条件下经5-10次吸附-脱附循环，吸附容量仅轻微下降，再生温度为100℃。

分析测试：
1. 结构表征：PXRD证实1和2均保持CFA-1框架结构；2*的BET比表面积为2522m²/g，平均孔径略有增大。
2. 光谱分析：DRIFTS检测到2-CO₂在1340、1501等cm⁻¹处的Zn-O₂COH特征峰，加热后出现3692cm⁻¹的Zn−OH伸缩振动峰。
3. 热力学分析：TGA显示2在400℃前稳定，DFT计算得CO₂最大结合能为-71.4kJ/mol，揭示强化学吸附作用。

总结：
1. 主要研究结果：成功制备含Zn−OH位点的仿生MOF，低压力下CO₂吸附性能优异，再生条件温和。
2. 创新突破：开发温和后合成修饰策略，利用簇间氢键协同作用提升CO₂吸附效率。
3. 潜在意义：为痕量CO₂捕获提供低能耗、高选择性吸附材料，适用于空气净化、密闭空间环境控制等领域。

Bioinspired Metal−Organic Framework for Trace CO₂ Capture
文章作者：Caitlin E. Bien, Kai K. Chen, Szu-Chia Chien, Benjamin R. Reiner, Li-Chiang Lin, Casey R. Wade, W. S. Winston Ho
DOI：10.1021/jacs.8b06109
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b06109

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