【MOF吸附CO2】：一种可扩展的坚固微孔铝基金属有机框架材料MIL-120(Al)-AP用于燃烧后碳捕获

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摘要：
Institut des Matériaux Poreux de Paris的Georges Mouchaham& Christian Serre等报道的本篇文章（Adv. Sci.2024, 2401070）中报道了一种微孔铝基金属有机框架材料MIL-120(Al)-AP，该材料在0.1巴、298 K条件下展现出高达1.9 mmol g^-1的CO2吸附能力。通过原位同步辐射X射线衍射测量和蒙特卡洛模拟，揭示了该结构具有高密度的µ2-OH基团和可接近的芳香环，为CO2捕获提供了有利的构型。此外，基于计算和实验证据，推导出MIL-120(Al)-AP的适中宿主-客体相互作用Qst(CO2)值为-40 kJ mol^-1，表明完全再生的能量损失相对较低。文章还开发了一种环保的常压绿色合成路线，使用廉价的原材料，以高产量制备出公斤级的MIL-120(Al)-AP，并将该材料塑造成毫米级机械稳定的珠子。通过突破实验验证了其高效的CO2/N2分离能力，而操作中红外实验表明，在水存在的情况下，CO2吸附动力学更为有利。最后，技术经济分析估计该材料的生产成本约为13美元/公斤，显著低于其他基准MOFs。这些进展使MIL-120(Al)-AP成为工业规模CO2捕获过程的一个优秀吸附剂候选。

研究背景：
1. 全球变暖日益严重，CO2排放是主要原因之一。现有的CO2捕获技术存在环境问题和高能耗问题。
2. 学者们研究了多种多孔固体吸附剂，如沸石和胺功能化多孔材料，但存在稳定性和成本问题。
3. 本文作者开发了一种新型的铝基金属有机框架材料MIL-120(Al)-AP，具有高CO2吸附能力和选择性，且通过环境友好的合成路线实现了规模化生产。

实验部分：
1. 合成优化实验：研究者通过系统实验研究，优化了在环境压力下合成MIL-120(Al)-AP的条件。通过调整铝源、配体比例、浓度和添加剂来控制pH/溶解度，成功在环境压力下合成了MIL-120(Al)-AP。
2. 结构表征实验：通过PXRD、FT-IR光谱、TGA分析等对合成的MIL-120(Al)-AP进行了详细的结构表征。结果表明，MIL-120(Al)-AP与高压合成的MIL-120(Al)-HP在结构上具有很好的一致性。
3. 吸附性能测试：研究者测试了MIL-120(Al)-AP在298 K下的CO2和N2吸附性能。结果显示，MIL-120(Al)-AP在0.1 bar和1 bar下展现出与MIL-120(Al)-HP相当或稍高的CO2吸附能力，并对CO2/N2具有良好的选择性。
4. 原位同步辐射粉末衍射（SRPD）研究：通过在瑞士-挪威束线（SNBL）的欧洲同步辐射设施（ESRF）进行的SRPD实验，研究了MIL-120(Al)-AP和MIL-120(Al)-HP在CO2吸附过程中的结构变化。发现MIL-120(Al)-AP在约350 K时发生了从单斜到三斜的相变。
5. 分子模拟：通过DFT优化的MIL-120(Al)-AP结构，并使用GCMC模拟计算了其CO2吸附等温线。模拟结果与实验数据吻合良好，表明μ2-OH基团的取向对CO2的吸附亲和力起着关键作用。
6. 绿色可扩展合成：研究者开发了一种环境压力下的绿色合成方法，成功在千克级规模上合成了MIL-120(Al)-AP，并保持了高的结晶度和孔隙性。
7. 循环性能和突破曲线测试：对MIL-120(Al)-AP进行了连续CO2吸附/脱附循环测试，以及使用不同比例的膨润土或二氧化硅作为粘合剂的成型样品的CO2/N2突破曲线测试。结果表明，MIL-120(Al)-AP具有良好的循环稳定性和CO2/N2分离性能。
8. 原位光谱研究：通过原位红外光谱研究了MIL-120(Al)-AP在CO2和H2O共存条件下的吸附行为，发现CO2在吸附过程中能够快速占据吸附位点，并且即使在存在水分的情况下也能保持较高的CO2吸附能力。

分析测试：
1. 结构表征：通过PXRD、FT-IR光谱和TGA分析确认了MIL-120(Al)-AP的成功合成和良好的结晶度。PXRD图谱与理论计算结果吻合良好，表明了样品的高结晶性。
2. 物理性质表征：通过N2吸附等温线测定了MIL-120(Al)-AP的比表面积，结果显示其具有较高的比表面积（约590 m2 g−1），这有助于提高CO2的吸附能力。
3. 吸附性能表征：通过CO2和N2的吸附等温线测试，评估了MIL-120(Al)-AP的CO2捕获性能和CO2/N2选择性。结果表明，MIL-120(Al)-AP在0.1 bar和1 bar下具有较高的CO2吸附能力和良好的CO2/N2选择性。
4. 热稳定性测试：TGA分析显示MIL-120(Al)-AP具有良好的热稳定性，可在高达400°C的温度下保持稳定。
5. 材料成本分析：通过技术经济分析，评估了MIL-120(Al)-AP的生产成本，并与现有的其他MOF材料进行了比较。分析结果表明，MIL-120(Al)-AP的生产成本较低，具有较好的工业应用前景。

总结：
本文的研究工作展示了MIL-120(Al)-AP作为一种高效、选择性强且成本低廉的CO2捕获材料的潜力。通过实验和计算模拟相结合的方法，深入理解了其CO2捕获的机制，并证实了其在实际应用中的可行性。此外，通过技术经济分析，证明了该材料的生产成本具有竞争力，为未来的工业应用奠定了基础。

展望：
MIL-120(Al)-AP在CO2捕获方面展现出巨大潜力，但仍有一些问题和改进空间：
1. 长期稳定性和在实际工况下的吸附性能需要进一步研究。
2. 材料在高湿度条件下的性能和再生能力需要更多的实验验证。
3. 建议对MIL-120(Al)-AP在不同温度和压力条件下的吸附性能进行系统研究，并探索其在实际CO2捕获过程中的应用效果。同时，可以考虑对材料进行进一步的功能化改性，以提高其稳定性和吸附性能。

A Scalable Robust Microporous Al-MOF for Post-Combustion Carbon Capture
文章作者：Bingbing Chen, Dong Fan, Rosana V. Pinto, Iurii Dovgaliuk, Shyamapada Nandi, Debanjan Chakraborty, Nuria García-Moncada, Alexandre Vimont, Charles J. McMonagle, Marta Bordonhos, Abeer Al Mohtar, Ieuan Cornu, Pierre Florian, Nicolas Heymans, Marco Daturi, Guy De Weireld, Moisés Pinto, Farid Nouar, Guillaume Maurin, Georges Mouchaham, Christian Serre …
DOI： 10.1002/advs.202401070
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/advs.202401070

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