室温合成超微孔柱层MOF并实现耐水CO₂吸附 | 上海楷树化学科技有限公司

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室温合成超微孔柱层MOF并实现耐水CO₂吸附

摘要
汕头大学周浩龙、黄晓春等团队在 ACS Materials Letters 研究中，报道了一种可在室温条件下合成的超微孔柱层型MOF材料 MAF-60。MAF-60 在 298 K、1 bar 条件下 CO₂ 吸附量可达 2.90 mmol g⁻¹，并具备能耗较低的再生性能和良好的循环稳定性；穿透实验进一步证实其在干燥与含水烟气条件下均可实现 CO₂ 捕集。

研究背景
1. 行业问题
目前工业上 CO₂ 捕集主要依赖乙醇胺等胺水溶液化学吸收法，但该路线再生能耗高、胺易降解、对设备腐蚀明显且耗水量大；以多孔固体吸附剂替代液体吸收剂被视为更具能耗与环境优势的替代方向。
2. 本文创新
本文以锌–三氮唑二维层和特定柱状配体构筑超微孔柱层型 MOF MAF-60，并通过室温合成路线大幅简化制备流程；同时结合计算模拟与动力学测试阐明其孔道刚性对耐水 CO₂ 吸附的关键作用。

实验内容
1. MAF-60 的室温制备
作者以锌盐、含三氮唑或氨基三氮唑类配体以及柱状配体为原料，在室温条件下进行溶剂/水相组装，合成超微孔柱层型 MOF MAF-60，并通过控制金属–配体比例与混合介质调控晶相纯度与结晶度。
2. 烟气模拟条件下的吸附测试
在 298 K、1 bar 条件下测试 MAF-60 对 CO₂、N₂ 的单组分吸附行为，并开展 CO₂/N₂ 混合气在干燥与加湿条件下的穿透实验，考察其对模拟烟气的分离表现与循环稳定性。
3. 吸附动力学与计算模拟
通过测定 CO₂ 与 H₂O 在 MAF-60 孔道中的时间依赖吸附曲线评估吸附动力学，并借助 GCMC（巨正则蒙特卡洛）等计算方法解析 CO₂ 在孔道中的结合位点与构型。

分析表征
1. 结构表征
MAF-60 的195 K CO₂ 吸附等温线表现为典型 I 型曲线，证明其具有超微孔结构特征；BET 为550m2/g，孔容0.23cm3/g。
2. 吸附性能与选择性表征
单组分吸附等温线和等量吸附热测试显示 MAF-60 对 CO₂ 具有较强亲和力，在 298 K、1 bar 下 CO2 吸附量达 2.90 mmol g–1。IAST 计算 CO₂/N₂ 选择性达到 77 (15/85, v/v)。
3. 稳定性与耐水性表征
样品经不同工况暴露至少 3 天后，PXRD 仍保持原有衍射特征，298 K CO₂ 吸附量未出现明显下降，说明 MAF-60 在水汽等条件下结构稳定。
4. 穿透与动力学表征
干燥与加湿 CO₂/N₂ 混合气穿透曲线分别验证了材料在干、湿烟气中的分离能力，多次循环穿透实验进一步证实其动态工况下的耐久性；时间依赖吸附曲线结合 GCMC 结合位点分析，揭示 CO₂ 与 H₂O 在孔道中的竞争吸附行为。

机理分析
1. 超微孔柱层结构的尺寸筛分机制
MAF-60 由锌–三氮唑二维层与柱状配体构筑，形成孔径与 CO₂ 动力学直径匹配的刚性超微孔通道，可实现对 CO₂ 的优先吸附并限制较大分子 N₂ 的进入，从而提供尺寸与亲和力协同的分离基础。
2. 结构刚性对耐水性的支撑机制
计算模拟与稳定性测试共同表明，MAF-60 的刚性柱层骨架在水汽存在时不易发生结构塌陷或框架畸变，因而在高湿度烟气条件下仍可保持较高的 CO₂ 工作容量；动力学测试则显示其吸附速率足以应对实际穿透工况。
3. 孔道结合位点与吸附路径
GCMC 计算给出的 CO₂ 结合位点揭示了框架氮原子、柱状配体官能团与 CO₂ 之间的多重相互作用，时间依赖 CO₂ 与 H₂O 吸附曲线则反映了两者在孔道中的竞争与置换过程，为耐水 CO₂ 捕集性能提供了机理层面的解释。

总结
本文报道了一种可在室温条件下合成的超微孔柱层型 MOF MAF-60，在 298 K、1 bar 下 CO₂ 吸附量达 2.90 mmol g⁻¹，并兼顾能耗较低的再生条件与良好循环耐久性。通过穿透实验证明其在干燥与含水烟气条件下均能有效分离 CO₂/N₂，CO₂/N₂ 选择性达到 77 (15/85, v/v)，具备面向实际烟气工况的应用潜力。

文章标题：Room-Temperature Synthesis of an Ultramicroporous Pillared-Layer Metal–Organic Framework for Carbon Dioxide Capture
文章作者：Zi-Nan Chen; Meng-Ru Yang; Wen-Jiang Tian; Li-Tian Zhang; Ningyuan Chen * ; Xiao-Xian Chen; Ya-Nan Duan; Hao-Long Zhou * ; Xiao-Chun Huang *
DOI：10.1021/acsmaterialslett.6c00922
文章链接：https://pubs.acs.org/amlcef/article/doi/10.1021/acsmaterialslett.6c00922/5444177/Room-Temperature-Synthesis-of-an-Ultramicroporous

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汕头大学周浩龙、黄晓春等团队在 ACS Materials Letters 研究中，报道了一种可在室温条件下合成的超微孔柱层型金属–有机框架 MAF-60。MAF-60 在 298 K、1 bar 条件下 CO₂ 吸附量可达 2.90 mmol g⁻¹，并具备能耗较低的再生性能和良好的循环稳定性；