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【MOF固碳】：调节亲水性和孔隙环境以改善高湿条件下二氧化碳吸附的物理吸附剂
摘要：
美国西北大学Randall Q. Snurr和Omar K. Farha老师等报道的这篇文章中（J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 6, 3943–3954）致力于解决金属有机框架(MOF)材料在高湿度条件下捕获二氧化碳(CO2)效率下降的问题。作者设计并合成了三种新型MOF材料——NU-220、CALF-20M-w和CALF-20M-e，它们通过在三唑配体上引入甲基团来提高在含水环境中对CO2的吸附性能。研究中采用了包括粉末X射线衍射(PXRD)、单晶X射线衍射(SCXRD)、微晶电子衍射(MicroED)、温度程序脱附(TPD)和大量蒙特卡罗(GCMC)模拟等方法，以探究这些材料的结构、稳定性和吸附性能。最重要的发现是，与CALF-20相比，CALF-20M-w和CALF-20M-e在70%相对湿度(RH)条件下仍保持了大约20%的初始CO2捕获效率，而CALF-20在此条件下几乎不吸附CO2。这项工作为在实际工业应用中有效捕获湿烟气中的CO2提供了新的解决方案。
研究背景：
目前，人类活动导致的大量CO2排放是全球气候变暖的主要原因之一。为了减缓气候变化，寻找有效的CO2捕获与存储技术变得日益重要。在众多CO2捕获技术中，基于固体吸附剂的方法因其低能耗和高选择性而受到关注。在这些固体吸附剂中，MOF由于其可调节的孔隙结构和化学性质而备受研究。然而，许多MOF在高湿度条件下性能下降，这限制了它们在处理实际含水烟气的应用。此前研究已尝试通过化学修饰和结构设计来解决这一问题。作者通过在三唑配体中引入甲基团建立了一种简单有效的策略，以改善MOF在含水环境中的CO2捕获性能，为解决湿烟气中CO2捕获的难题提供了新的思路。
实验部分：
1）作者合成了三种新型MOF材料NU-220、CALF-20M-w和CALF-20M-e，并通过PXRD、SCXRD和MicroED等手段对其结构进行了表征。
2）通过改变合成反应的溶剂，作者发现不同的溶剂条件会导致不同的MOF结构形成，从而影响其CO2吸附性能。
3）采用GCMC模拟揭示了甲基团通过阻碍水分子在孔道中形成网络，从而提高这些材料在高湿度条件下对CO2的选择性。通过动态破碎实验和CO2吸附等温线测试，作者评估了这些MOF材料在干燥和湿润条件下的CO2捕获性能。
4）结构表征证实了三种新型MOF的成功合成以及它们与CALF-20的结构差异，为进一步探究其性能提供了基础。通过GCMC模拟与实验测试结合，揭示了甲基团对提高MOF材料在含水环境中捕获CO2性能的作用机理。CALF-20M-w和CALF-20M-e在70% RH条件下仍保持较高的CO2吸附能力，展示了显著的性能改进。
结论：
1）作者成功设计并合成了三种新型MOF材料，它们通过在三唑配体中引入甲基团提高了在高湿度条件下的CO2捕获性能。
2）这些材料在70% RH条件下仍然保持了显著的CO2吸附能力，克服了传统MOF材料在湿烟气中应用的限制。
3）此外，通过结构表征和模拟分析，揭示了甲基团对提高材料湿度稳定性的作用机理。
4）总之，这项工作为利用MOF材料在实际条件下有效捕获CO2提供了新的策略，并由极强的实际应用前景
展望：
尽管这项研究取得了积极的进展，但未来工作需要进一步探索不同功能化基团对MOF性能的影响，以及如何优化这些材料的合成条件以获得更高的性能。
本文中主要关注了CO2与水的竞争吸附，未来研究可以考虑其他可能影响MOF性能的气体，如SO2、NOx等污染物的影响。进一步的稳定性测试，包括长期循环吸附脱附实验，将有助于评估这些MOF材料的实际应用潜力。从经济和环境角度出发，未来研究应当关注材料的可持续性，包括原料来源、合成过程的绿色化以及材料的可回收性。
Tailoring Hydrophobicity and Pore Environment in Physisorbents for Improved Carbon Dioxide Capture under High Humidity
文章作者：Xiaoliang Wang, Maytham Alzayer, Arthur J. Shih, Saptasree Bose, Haomiao Xie, Simon M. Vornholt, Christos D. Malliakas, Hussain Alhashem, Faramarz Joodaki, Sammer Marzouk, Grace Xiong, Mark Del Campo, Pierre Le Magueres, Filip Formalik, Debabrata Sengupta, Karam B. Idrees, Kaikai Ma, Yongwei Chen, Kent O. Kirlikovali, Timur Islamoglu, Karena W. Chapman, Randall Q. Snurr*, and Omar K. Farha*
DOI：10.1021/jacs.3c11671
文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c11671
