摘要
英国曼彻斯特大学Martin Schröder教授与北大杨四海团队发表的研究（J. Am. Chem. Soc. 2026, DOI: 10.1021/jacs.5c22441）中，针对烟气脱硫吸附剂解吸难、再生差的痛点，报道了可规模化铝基MOF材料MIL-120 点击查看相关产品链接。该材料在298 K、2500 ppm条件下SO₂吸附量达2.1 mmol/g，吸附焓19-42 kJ/mol，可室温完全可逆解吸；SO₂堆积密度1.92 g/cm³，超固态SO₂（1.62 g/cm³），SO₂/NO₂动态选择性达124（创纪录），可高效分离烟气中痕量SO₂，为低能耗SO₂捕获树立新基准。


研究背景
1.  行业问题：SO₂为高危污染物，烟气中浓度≤0.3%，伴随NO₂、15% CO₂等杂质；传统石灰石脱硫不可逆、固废多，沸石等多孔材料需高温活化、SO₂回收率低，现有MOFs难以兼顾可逆性、稳定性和痕量捕获能力。
2.  现有方案：MOFs是SO₂捕获研究热点，但多数不耐NO₂、潮湿环境易降解，SO₂与MOF结合强度难调控，导致解吸困难，且难以规模化制备，无法满足工业需求。
3.  本文创新：采用双μ₂-OH桥连Al(III)中心的MIL-120，其4.7 Å 1D孔道增强极性，优化SO₂结合强度，促使NO₂二聚减缓扩散，实现高选择性捕获；可百克级规模化合成，稳定性优异，解决现有技术瓶颈。


实验部分
1.  材料合成：以Al(OH)(OAc)₂和1,2,4,5-苯四甲酸为前驱体，水相合成MIL-120，可规模化至百克级，PXRD证实高相纯度；脱溶剂后77 K下BET比表面积435 m²/g，孔体积0.16 cm³/g，优于传统溶剂热法产物。
2.  SO₂吸附实验：273-298 K下为I型吸附等温线，最大吸附容量5.0 mmol/g；298 K、3 mbar时吸附量2.2 mmol/g，20次吸附-解吸循环性能稳定，室温即可完全再生。
3.  动态穿透实验：298 K下，三种混合体系中SO₂穿透时间最长达576 min，SO₂/NO₂选择性124，远超现有材料；10%-40%湿度下性能轻微下降，333 K温和加热可快速解吸，优于同类材料需393 K解吸的要求。
4.  成型与稳定性：膨润土为粘结剂制成颗粒，SO₂吸附容量仅下降4%；经SO₂、NO₂及酸碱处理后，结构和孔隙率无变化，实用性强。
实验小结：实现MIL-120百克级规模化合成，SO₂捕获容量、选择性及可逆性均达最优，解决MOFs工业应用的规模化与稳定性难题。


分析测试
1.  结构与孔隙测试：PXRD证实高结晶度，晶体为双μ₂-OH桥连Al(III)中心与配体构成，1D孔道5.4×4.7 Å；77 K N₂吸附测试，BET 435 m²/g、孔体积0.16 cm³/g，规模化样品与实验室样品性能一致。
2.  吸附热力学与动力学：SO₂吸附焓19-42 kJ/mol（接近最优值40 kJ/mol），吸附-解吸动力学快速，20次循环无衰减，可逆性优异。
3.  原位表征：同步辐射红外显示，SO₂吸附使μ₂-OH特征峰（3648 cm⁻¹）消失，生成3561 cm⁻¹新峰，证实氢键作用；EPR证实NO₂在孔道内二聚（N₂O₄），动力学直径4.6 Å接近孔道尺寸，阻碍其扩散；INS与DFT计算验证SO₂结合位点及相互作用，与晶体结构分析一致。


机理分析
1. 主客体相互作用机制：
双重μ₂–OH桥联基团的高密度分布为SO₂提供了理想的多重氢键结合位点，既保证了足够强的吸附（Qst 19–42 kJ mol⁻¹），又避免了超过50 kJ mol⁻¹所导致的不可逆化学吸附，实现了"吸得住、脱得出"的完美平衡。
2. 客体-客体超密堆积机制：
孔道内受限空间内SO₂分子之间形成增强的分子间偶极键（3.04 Å），远强于固态SO₂中的作用力（3.24 Å），协同主客体相互作用共同造就了超越固态SO₂的堆积密度（1.92 vs 1.62 g cm⁻³），从而在极低分压下实现超高容量吸附。
3. NO₂二聚化限速扩散机制：
MIL-120的孔径（4.7 Å）与N₂O₄动力学直径（4.6 Å）的精确匹配，使孔道内NO₂发生二聚形成N₂O₄，其扩散速率（自扩散系数9.85 × 10⁻⁶ cm² s⁻¹，为SO₂的约12倍）虽快于SO₂，但体积匹配的约束导致N₂O₄在孔道中的有效通过受阻，从而使SO₂得以优先保留，从动力学上实现了记录性的SO₂/NO₂选择性（124）。


总结
本文系统证明了MIL-120作为一种可规模化、高稳定性铝基MOF，在室温变压条件下即可实现痕量SO₂的完全可逆捕获，等量吸附热处于最优区间，创造了SO₂在MOF孔道内1.92 g cm⁻³的堆积密度新纪录（超越固态SO₂），并实现了SO₂/NO₂动态选择性124的历史最高值。


文章标题：Highly Reversible and Selective Capture of Trace SO₂ in a Scalable Aluminum-Based Metal–Organic Framework
文章作者：Shan Dai, Longzhang Dong, Yinlin Chen, Jiangnan Li, Justyna Rogacka, Yuhang Yang, Zi Wang, Benjamin J. Moore, Daniel Lee, Yongqiang Cheng, Svemir Rudić, Bogdan Kuchta, Mark D. Frogley, Lucy Saunders, Martin Schröder*, Sihai Yang*
发表信息：10.1021/jacs.6c01974
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c01974


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