【MIL-120(Al)】一种可扩展的稳健微孔铝基金属-有机框架（Al-MOF）用于燃烧后CO2捕获

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巴黎高等师范学院Georges Christian SERRE、OUCHAHAM、法国CNRS蒙彼利埃ICGM研究所Guillaume Maurin教授在（Adv. Sci. 2024, 11, 2401070）报道了一种名为MIL-120(Al)-AP的铝基微孔金属-有机框架材料。该材料在低压条件下表现出优异的CO₂吸附性能（0.1 bar、298 K时CO₂吸附量达1.9 mmol g⁻¹），并通过原位同步辐射X射线衍射和蒙特卡洛模拟揭示了其孔道中高密度μ₂-OH基团和芳香环的协同作用。实验和理论计算表明，MIL-120(Al)-AP的CO₂吸附焓（Qst）为-40 kJ mol⁻¹，再生能耗较低。此外，研究团队开发了一种绿色环保的常压合成路线，利用廉价原料实现了千克级规模化制备，并通过无机粘合剂将材料制成机械稳定的毫米级颗粒。动态穿透实验验证了其高效的CO₂/N₂分离能力，原位红外实验表明CO₂在水存在下的吸附动力学优势。技术经济分析显示，该材料的生产成本约为13美元/千克，显著低于其他基准MOF材料。这些成果使MIL-120(Al)-AP成为工业规模CO₂捕获过程的优异吸附剂候选材料。

研究背景
1.行业问题
1) 全球CO₂排放量持续增加，碳捕获、利用与储存（CCUS）技术被认为是缓解全球变暖的关键手段。
2) 目前工业中广泛使用的胺基溶液捕获CO₂技术存在高能耗（占燃煤电厂总热能消耗的15-20%，极端情况下可达80%）和环境问题。
3) 多孔材料（如沸石、胺功能化多孔材料）虽具有潜力，但存在水竞争吸附导致性能下降、再生能耗高或长期稳定性差等问题。
2.研究现状
1) 基于物理吸附的CO₂捕获技术因其低能耗再生优势受到关注。例如，CALF-20作为一种基准CO₂吸附剂，表现出优异的CO₂吸附容量（0.1 bar、298 K时为2.47 mmol g⁻¹）和CO₂/N₂选择性（230），但其生产成本较高（约25-30美元/千克）。
2) 其他MOF材料（如SIFSIX、NbOFFIVE等）因出色的CO₂吸附性能和选择性被广泛研究，但其长期水解稳定性和规模化生产仍面临挑战。
3.本文创新
1) 作者提出了一种基于铝的微孔MOF（MIL-120(Al)-AP），通过优化合成条件实现了低成本、绿色常压合成，并在千克级规模上保持优异的结晶性和孔隙率。
2) 通过实验和理论计算揭示了材料中高密度μ₂-OH基团和芳香环的协同作用，实现了低压下高效的CO₂吸附和分离。
3) 技术经济分析表明，该材料的生产成本显著低于现有基准MOF，且在湿环境下仍具有较好的CO₂吸附动力学性能。

实验和分析
1.材料合成：
通过优化常压合成路线，利用廉价铝源（如Al(OH)(OAc)₂和NaAlO₂）实现了MIL-120(Al)-AP的千克级制备。
2. 结构表征：
1) X射线衍射（PXRD）证实了材料的晶体结构与理论计算一致。
2) 氮气吸附测试显示MIL-120(Al)-AP的比表面积约为590 m² g⁻¹。
3) 热重分析（TGA）表明材料在400°C以下具有优异的热稳定性。
4) 水吸附等温线实验显示材料具有较高的亲水性，但CO₂吸附动力学优于水。
3. 应用性能测试
1) CO₂吸附性能：MIL-120(Al)-AP在0.1 bar、298 K时CO₂吸附量为1.9 mmol g⁻¹，在1 bar时为3.87 mmol g⁻¹。
2) CO₂/N₂选择性：基于理想吸附溶液理论（IAST），在15CO₂:85N₂和5CO₂:95N₂混合气体中选择性分别超过80和90。
3) 动态穿透实验：在模拟工业烟气条件下，MIL-120(Al)-AP表现出高效的CO₂/N₂分离能力，CO₂纯度生产力分别为0.67 mmol cm⁻³（含10%二氧化硅）和0.79 mmol cm⁻³（含10%膨润土）。
4. 机理分析
1) 材料孔道中高密度μ₂-OH基团和芳香环的协同作用增强了CO₂吸附。
2) 吸附焓：CO₂吸附焓为-40 kJ mol⁻¹，与基准物理吸附剂相当，确保低能耗再生。
3) 动力学优势：原位红外实验表明CO₂在水存在下的吸附动力学优于水，为湿法CO₂捕获提供了可能性。

总结
1.MIL-120(Al)-AP在低压下表现出优异的CO₂吸附性能和CO₂/N₂选择性，适用于燃烧后CO₂捕获。材料在湿环境下仍具有较好的CO₂吸附动力学性能，适合工业应用。
2. 通过常压绿色合成路线实现了千克级规模化生产，生产成本约为13美元/千克。
3. 揭示了材料中μ₂-OH基团和芳香环的协同作用机制，为高性能CO₂吸附剂设计提供了新思路。
4. 技术经济分析表明，该材料的生产成本显著低于现有基准MOF，具有较高的工业应用潜力。有望应用于燃煤电厂和水泥厂等工业排放源的CO₂捕获，降低碳捕获成本。

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://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202401070

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