首页 >
行业动态 > Zr-CAU-61对高湿烟气的CO2/N2分离选择性达353.1
Zr-CAU-61对高湿烟气的CO2/N2分离选择性达353.1
摘要
1. 华南师范大学化学学院严勇团队在 Chem. Commun.报道了一种均苯四酸基团的锆基MOF材料 Zr-CAU-61在潮湿条件下的优异 CO2/N2 分离性能。
2. 该材料在 298 K、1 bar 下 CO2/N2（15/85，v/v）的 IAST 选择性达到 353.1，CO2/N2 吸附量比高达 62.1；动态穿透实验在 30%–100% 相对湿度范围内保持稳定分离表现。骨架中未配位羧基与苯环的协同作用为 CO2 提供了多重结合位点，从而在含水气氛中维持高选择性。
研究背景
1. 行业问题
烟气中除 CO2 与 N2（体积比约 15 : 85）外还含有水蒸气，水分子与 CO2 在孔道内的竞争吸附会显著削弱材料的选择性与循环稳定性，成为 MOF 等吸附材料走向工程应用的核心障碍。
2. 现有方案
1) 为提升耐水性，研究者多采用高价金属离子（如 Zr4+、Hf4+、Ti4+）构筑框架，其中由羧酸配体与铝/锆簇组装而成的 CAU 系列兼具一维孔道与较高的热稳定性和化学稳定性。
2) 在选择性调控方面，已有策略是在孔道中引入 –NH2、–OH、–COOH 等极性基团，借助偶极–四极矩与四极矩–四极矩相互作用增强对 CO2 的亲和力；
3) 利用未配位羧基作为 CO2 结合位点成为新方向，但如何在湿度条件下同时兼顾高选择性与结构稳定性仍待验证。
3. 本文创新
本文把“高稳定 Zr 基骨架”与“未配位羧基极性位点”结合，系统考察Zr-CAU-61在潮湿条件下的 CO2/N2 分离行为。通过动态穿透实验在 30%–100% 相对湿度范围内验证实际分离表现，并用 GCMC 与原位 FT-IR 揭示羧基与苯环协同的多位点结合机制。
实验内容
1. 材料构筑与结构确认
研究以均苯四酸配体与锆簇组装得到 Zr-CAU-61，晶体结构解析显示其具有 Zr-CAU-61 的一维孔道特征，并明确了 Zr4+ 的配位环境与沿 c 轴方向的孔道形貌。
2. 吸附与分离性能测试
作者在 298 K 与 273 K 下分别测试 CO2 和 N2 的吸附/脱附等温线，据此计算 CO2/N2（15/85，v/v）的 IAST 选择性，并与已报道的 CO2 选择性 MOF 在 298 K、1 bar 条件下的选择性和 CO2 吸附热（Qst）进行对比。
3. 湿度与循环稳定性实验
通过水处理后的 PXRD 以及 298 K 水蒸气吸附–脱附等温线评估耐水性；在 298 K、393 K 以及 55% RH 条件下开展 CO2/N2（15/85）动态穿透实验，并在干气与 55% RH 条件下各进行五次循环测试，考察分离性能的稳定性。
分析表征
1. 吸附与选择性
本材料 CO2/N2 吸附量比达 62.1，298 K 下 CO2/N2（15/85，v/v）的 IAST 选择性为 353.1，进一步将该选择性与 Qst 同已报道 CO2 选择性 MOF 进行横向比较。
2. 耐水性与动态分离证据
水处理后的 PXRD 用于判断框架在水存在下的结构保持情况，298 K 水蒸气吸附–脱附等温线给出吸水行为；动态穿透曲线在 298 K、393 K 及 55% RH 条件下均显示 CO2/N2 的有效分离，干气与 55% RH 下五次循环测试表明性能可重复。
机理分析
1. 羧基与苯环的协同结合
GCMC 模拟给出 CO2 在 Zr-CAU-61 中的优先吸附位点，并标出 CO2 与羧酸根配位氧、骨架 –COOH 氢原子以及苯环（p-π 共轭）之间的距离，说明未配位羧基与苯环共同构成多重 CO2 结合位点。
2. 原位红外对吸附作用的佐证
CO2 吸附过程中的原位 FT-IR 谱图用于追踪吸附前后特征振动变化，与模拟得到的结合位点相互印证，支持羧基与苯环协同作用增强 CO2 识别能力的推断。
3. 湿度下的性能边界
动态穿透实验表明材料在 30%–100% 相对湿度范围内仍保持稳定分离表现，说明上述极性位点在含水气氛中仍能有效参与 CO2 结合；但页面未提供水分子与 CO2 竞争吸附的定量位点占据数据，相关微观竞争过程仍需进一步原位研究确认。
总结
本研究报道了Zr-CAU-61在 298 K、1 bar 下 CO2/N2（15/85，v/v）的 IAST 选择性达 353.1，CO2/N2 吸附量比为 62.1，并在 30%–100% 相对湿度范围内保持稳定的动态分离表现。
文章标题：A carboxylic acid-containing Zr-MOF demonstrating exceptional CO2/N2 separation performance under humid conditions
文章作者：Meng-Di Wang ; Shu-Ling Cheng ; Jia-Yi Li ; Yu-Ke Zhang; Zhi-Ping Di; Ya-Qian; Yong Yan
DOI：10.1039/d6cc04161b
文章链接：https://pubs.rsc.org/cc/article/62/77/19264/1298974/A-carboxylic-acid-containing-Zr-MOF-demonstrating
本文为科研用户原创分享，用于学术宣传交流，具体细节请查阅原文。如有错误、侵权，请联系修改删除，未经允许不得复制转载。
华南师范大学化学学院严勇团队在 Chem. Commun.报道了Zr-CAU-61在潮湿条件下的优异 CO2/N2 分离性能。该材料在 298 K、1 bar 下 CO2/N2（15/85，v/v）的 IAST 选择性达到 353.1，CO2/N2 吸附量比高达 62.1。
购销咨询 
