光酸分子修饰MOF实现光驱动CO₂捕集 | 上海楷树化学科技有限公司

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光酸分子修饰MOF实现光驱动CO₂捕集

摘要
南京大学段春迎教授、马天琼教授团队发表的J. Am. Chem. Soc. 2026, DOI: 10.1021/jacs.6c04559研究中，针对传统光酸分子（光照条件下酸性增强、可控释放 H⁺的化合物）体系效率低且循环再生缓慢等问题，提出将亚稳态部花青merocyanine(MCH)作为光酸分子封装于氨基功能化金属有机框架MIL-101-NH₂(Cr)孔道中，构建MCH@Ms复合体系，实现光驱动CO₂高效捕集与可逆释放。
该体系在光照3分钟内即可从烟气中释放12 mL CO₂/mmol光酸，暗态5分钟恢复捕集能力，CO₂释放速率达3.8 mmol CO₂ mmol⁻¹光酸 h⁻¹。作者进一步搭建U型连续流原型装置，在1.0 mL/min烟气流速下实现0.11 mL/min的光触发CO₂释放速率。

研究背景
1. 行业问题：
利用光酸分子调控CO2结合，是CCUS的新兴技术之一。但现有光酸分子体系虽可利用光能调控酸度实现CO₂捕集-释放，却面临捕集-释放效率低、pH依赖性强、循环再生迟缓三大瓶颈。
2. 现有方案：
学者利用部花青（MCH）与螺吡喃（SP）之间的可逆光异构化实现暗态捕集CO₂、光照释放CO₂，但分子态光酸易聚集、稳定性差、异构化效率低，限制了实际应用。
3. 本文创新：
将MCH光酸分子通过后合成封装策略引入大孔MOF（MIL-101-NH₂，孔径1.4–1.7 nm）中，利用MOF限域孔道实现分子级分散、防止聚集，同时氨基与光酸磺酸基形成氢键网络促进质子转移，显著提升异构化效率和循环稳定性，并搭建连续流原型验证实际应用潜力。

实验部分
1. 材料后合成制备：合成MIL-101-NH2(Cr)，然后在50 ℃浸泡12 h将光酸封装入MIL-101-NH₂。氨基化MOF负载量达21 wt%，证实氨基与磺酸基的氢键作用显著增强了分子亲和力。如仅使用MIL-101Cr，负载量仅15wt%。
2. 捕集-释放循环测试：暗态捕集CO₂，光照3 min内每mmol光酸释放12 mL CO₂，暗态5 min即恢复捕集能力，释放速率达3.8 mmol/(mmol·h)，多次循环性能稳定。
3. 连续流原型验证：搭建U型连续流装置，在1.0 mL/min烟气流速下，光触发CO₂释放速率达0.11 mL/min，产率89%，证实了实际工况应用潜力。

分析测试
1. 比表面积与孔隙分析：
BET测试显示，MIL-101-NH₂原始比表面积为2389 m²/g，负载MCH后降至1772–2150 m²/g，表明光酸分子成功进入孔道但未完全堵塞孔隙，仍保留较大比表面积和通透性。
2. 结构表征（PXRD）：
粉末X射线衍射证实MCH负载后MOF骨架结构完整保留，说明后合成封装过程未破坏框架结晶度。
3. 红外光谱（FT-IR）：
N–H伸缩振动从3473 cm⁻¹蓝移至3488 cm⁻¹，3367 cm⁻¹蓝移至3380 cm⁻¹，证实MOF氨基与光酸磺酸基之间形成了氢键相互作用。
4. 固态紫外-可见光谱（UV-vis）：
MCH@Ms显示部花青特征吸收峰，光照后吸收光谱发生显著变化，对应MCH→SP异构化转化，证实光酸分子在MOF孔道中仍保持可逆光响应活性。

机理分析
1. MOF封装与锚定光算分子：
MIL-101-NH₂的大孔径1.4–1.7 nm有效容纳MCH分子，其氨基与光酸磺酸基形成氢键网络，实现分子级分散与稳定锚定，避免了光酸分子聚集。
2. 光驱动释放机理：
暗态下MCH开环释质子促进CO₂捕集；光照触发MCH向SP闭环异构化，质子回吸从而释放CO₂。MOF孔道的限域效应大幅提升了异构化与质子传递效率。
3. 性能调控机制：
取代基结构有效调控光酸pKa值，pKa与MOF孔内氢键网络的协同作用，是决定体系CO₂捕集与释放效率的核心因素。

总结
本文通过将亚稳态部花青光酸封装于MIL-101-NH₂中，构建了高效光驱动CO₂捕集-释放体系。MOF限域孔道实现光酸分子级分散与稳定锚定，氢键网络促进质子转移，光照3 min即可高效释放CO₂，暗态5 min快速再生。U型连续流原型装置验证了实际工况可行性，CO₂释放速率达0.11 mL/min，产率89%。该工作为低能耗、可循环的光驱动碳捕集技术提供了切实可行的材料平台与工程化思路。

文章标题：Efficient Light-Driven CO2 Capture and Reversible Release Enabled by Metastable Photoacid-Decorated Metal–Organic Frameworks
作者：Ao Li，Junkai Cai*，Quan Xiao，Mingyu Yang，Tianqiong Ma*，Chunying Duan*
DOI：10.1021/jacs.6c04559
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c04559

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