【MOF固碳】快速合成超微孔钾-芘四羧酸框架用于限域空间电荷驱动CO2捕获

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摘要
陕西师范大学翟全国教授团队在（ACS Materials Lett. 2025, 7, XXX, 1203–1210）报道了一种通过盐析法快速合成的超微孔金属有机框架（MOF）材料 SNNU-117。该材料基于芘四羧酸酯钾骨架，结合受限空间电荷驱动策略，实现了高效 CO₂捕获。实验结果表明，SNNU-117 在 298 K 和 1 bar 下对 CO₂的吸附量达 96.76 cm³ cm⁻³，对 CO₂/C₂H₂、CO₂/N₂和 CO₂/CH₄的 IAST 选择性分别高达 2744、6.3×10⁴和 5.6×10⁶，远超多数已报道 MOFs。理论计算和动态穿透实验验证了其独特的静电相互作用与孔道限域协同机制。

研究背景
1）行业问题
CO₂排放持续增长（2023 年达 374 亿吨），碳捕获（CCS）技术成本占比高达 67%，亟需高效吸附材料。
2）研究现状
MOFs 因高孔隙率和可调表面特性被广泛研究，但 CO₂与其他气体（如 C₂H₂、N₂）分子尺寸相近（均约 3.3–3.7 Å），选择性捕获困难。
传统 MOFs 依赖过渡金属位点吸附烯烃，对 CO₂选择性不足。
3）本文创新
提出 “受限空间电荷驱动” 策略：通过设计与 CO₂尺寸匹配的 3.6 Å 超微孔道，并利用骨架负电荷与表面质子正电位的协同作用，实现 CO₂特异性吸附。
开发盐析法快速合成路线，1 分钟内完成制备，产率 90%，解决传统合成耗时、高成本问题。

实验与分析
1. 材料合成与表征
1) 合成方法：H₄PTCA 与 KOH 通过盐析法快速反应，甲醇诱导沉淀，1 分钟内获得 SNNU-117。
2) PXRD 证实高结晶度，TGA 显示骨架稳定性达 430°C。
3) BET 比表面积 215 m² g⁻¹，孔尺寸 3.6 Å，与 CO₂分子尺寸匹配。
4) Zeta 电位 - 30.1 mV，确认阴离子骨架，表面富含 H₃O⁺质子。
2. 性能测试：
1) 在298 K和1 bar条件下，SNNU-117对CO2的吸附容量为96.76 cm³/cm³，对C2H2、C2H4、CH4和N2的吸附容量可忽略不计。
2) IAST选择性分别为CO2/C2H2（2744）、CO2/N2（6.3 × 10⁴）和CO2/CH4（5.6 × 10⁶），均显著高于大多数MOF材料。
3. 原理分析：
DFT计算和GCMC模拟表明，孔表面的正静电势与CO2分子的极化氧相互作用，实现了对CO2的高效选择性捕获。

总结：
1）本文开发盐析法快速合成 SNNU-117，实现 CO₂高效捕获与分离。
2）本研究提出 “受限空间电荷驱动” 机制，结合孔道限域与静电相互作用，突破传统 MOF 选择性瓶颈。
3）为工业碳捕获提供低成本、高稳定性材料，推动 CCS 技术实用化。

Rapid Synthesis of Ultramicroporous Potassium-Pyrenetetracarboxylate Framework with Confined-Space-Charge-Driving CO₂ Capture
文章作者：Li-Qiu Yang, Jia Yu, Jun-Ting Lv, Chen-Chen Xing, Ying Wang, Wen-Yu Yuan, Quan-Guo Zhai*
DOI：10.1021/jacs.3c05041
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c05041

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