【MOF吸附SO2】：通过调配铁基双金属MOFs材料PCN-250中的第二金属组分来提升微量SO2的吸附和分离性能

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摘要:
华南理工大学夏启斌、广东工业大学吴颖和南昌大学王珺等报道的这篇文章(J. Mater. Chem. A, 2023,11, 14728-14737)通过PCN-250(Fe)以及四种双金属PCN-250材料（包括PCN-250(Fe2Co)、PCN-250(Fe2Ni)、PCN-250(Fe2Mn)和PCN-250(Fe2Zn),）来研究金属调制对MOF材料的SO2吸附和分离性能的影响。其中PCN-250(Fe2Ni)在0.1 bar和298 K下显示出最高的SO2吸附容量(8.64 mmol/g);而PCN-250(Fe2Zn)显示出最大的SO2/CO2理论吸附溶液选择性(49)。动态突破实验表明,即使在含水蒸气和实际烟气成分的条件下,PCN-250(Fe2Zn)也展示出五种材料中最卓越的分离性能。

研究背景:
(1)现有的烟气脱硫技术存在新鲜水消耗高、剩余SO2浓度高等问题。
(2)先前MOF材料吸附SO2的研究主要通过修饰MOF的有机配体来调节孔道化学环境。
(3)本文作者在其他研究的基础上,首次研究了金属簇调制对SO2吸附分离性能的影响。

实验部分:
(1)合成方法:两步溶剂热法合成PCN-250及其双金属PCN-250材料，并进行粉末X射线衍射、氮气吸附等表征。
(3) 进行SO2、CO2、CH4和N2的静态吸附等温线测试;SO2/CO2和SO2/N2的突破实验;等温吸附热计算。
(4)实验结果:双金属PCN-250材料的SO2吸附容量、SO2/CO2选择性较原PCN-250有很大提高,尤其是PCN-250(Fe2Zn)的突破实验性能最好。

分析测试:
(1)这五种材料的比表面积在1483-1619 m2 g−1之间。其孔径分布在5-6 Å和10 Å。
(2)SO2单组分吸附实验显示,在298 K和0.1 bar下,PCN-250(Fe2Ni)和PCN-250(Fe2Zn)的SO2吸附量最高,分别达到8.64和8.21 mmol g−1,超过目前报道的大多数MOF材料。PCN-250特别是PCN-250(Fe2Zn)表现出超越已报道MOF材料的SO2吸附容量和SO2/CO2选择性。
(3)等温吸热实验显示,五种materials对SO2的吸热量均超过37 kJ mol−1,其中PCN-250(Fe2Zn)最高达61 kJ mol−1,说明其与SO2的吸附作用最强。而对CO2、CH4和N2的吸热量仅为15-30 kJ mol−1,证实其选择性地识别SO2。
(4)突破实验确定PCN-250(Fe2Zn)对SO2/CO2和SO2/N2均表现出色,循环稳定性好,即使在含水蒸气条件下也保持良好脱硫性能。

总结:
(1)成功合成PCN-250及其双金属材料,初次研究金属调控对SO2吸附性能的影响。
(2)PCN-250(Fe2Ni)和PCN-250(Fe2Zn)展示最高的SO2吸附量,PCN-250(Fe2Zn)展示最高的SO2/CO2选择性。
(3)PCN-250(Fe2Zn)在SO2/CO2和SO2/N2混合气体中表现最佳的分离性能。
(4)分子模拟解释了Zn的引入增强了材料的SO2吸附性能和选择性的原因,可能是PCN-250(Fe2Zn)中Zn和O的非重叠电荷分布使其更有效地捕获SO2

展望:
(1)进一步优化合成方法,扩大PCN-250(Fe2Zn)的合成规模。
(2)测试PCN-250(Fe2Zn)在其它条件下的SO2吸附和分离性能。
(3)开展工业应用方面的探索,在实际烟气环境中作为烟气脱硫剂开发应用。

Boosting trace SO2 adsorption and separation performance by the modulation of the SBU metal component of iron-based bimetal MOFs
文章作者：Jinze Yao,‡a Zhiwei Zhao,‡b Liang Yu,a Jiajin Huang,a Shigen Shen,a Siyao Zhao,a Ying Wu* Xiangyang Tian,a Jun Wang* and Qibin Xia*
DOI：10.1039/D3TA02223D
文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ta/d3ta02223d