摘要
本文介绍了一种新型的金属-有机框架（MOF）材料，Calgary Framework 20（CALF-20），它在物理吸附机制下展现出对二氧化碳（CO2）的高容量和选择性，即使在潮湿气体中也能捕获CO2。CALF-20不仅对水蒸气具有极高的稳定性，还能在直接的天然气燃烧烟气中长时间暴露后保持稳定。CALF-20的合成过程简单且可扩展，通过模拟研究了其对CO2的亲和力，并通过结构化和竞争性穿透实验验证了其性能。实验结果表明，CALF-20在低相对湿度下对CO2的吸附能力不受水的影响，并且CO2的存在抑制了水的吸附。最后，文章还展示了基于工业测试的MOF的耐久性和CO2捕获数据。

研究背景
1）行业问题：化石燃料燃烧后的CO2捕获需要从局部排放源中移除CO2，同时还需要捕获系统的再生和循环利用。烟气中CO2浓度低，主要被N2稀释，伴有水蒸气和酸性气体。
2）传统的胺和溶剂系统通过化学和物理吸收组合吸收CO2，尽管CO2去除效果显著，但再生过程能耗高，可能导致化学分解。
3）本文提出了CALF-20这种新型物理吸附材料，通过精确调控MOF的孔径和功能团，在低CO2浓度下实现有效吸附，同时保持材料的水稳定性和热稳定性。

实验部分
1）合成实验：CALF-20，化学式为[Zn2(1,2,4-triazolate)2(oxalate)]，通过溶剂热法合成，使用二羟基苯醌衍生物原位降解获得单晶。
2）结构表征：CALF-20由1,2,4-三唑桥联的锌(II)离子层和草酸根离子支柱形成三维晶格和孔隙结构，孔道尺寸为2.73 Å x 2.91 Å、1.94 Å x 3.11 Å和2.74 Å x 3.04 Å，占据约38%的空隙体积。
3）气体吸附实验：在77 K下对N2进行吸附等温线测试，计算得到Langmuir表面积为528 m²/g，CO2在1.2 bar和293 K下的吸附量为4.07 mmol g−1。
4）CO2和N2的选择性测试：通过理想吸附溶液理论计算，CO2/N2的选择性为230，适用于10:90的CO2/N2混合物。
水蒸气吸附特性研究：
5）CALF-20在低相对湿度下对水蒸气的吸附能力较差，但随着相对湿度的增加，水蒸气吸附量增加。
6）动态穿透实验：在CALF-20-聚砜复合材料上进行了一系列动态穿透实验，包括不同比例的CO2/N2混合气体以及在不同相对湿度下的H2O和CO2的竞争吸附实验。
7）稳定性和规模化测试：CALF-20在150°C的干燥空气中反复加热后，CO2吸附容量保持不变，显示出优异的稳定性。在150°C蒸汽中暴露一周后，通过粉末X射线衍射和N2吸附等温线测试结构和孔隙性保持不变。

测试分析
1）比表面和孔容：N2吸附等温线测试得到的Langmuir表面积为528 m²/g，显示CALF-20具有较高的比表面积。
2）CO2吸附热：CO2的零负荷吸附热为-39 kJ/mol，表明吸附过程是放热的。通过理想吸附溶液理论计算的CO2/N2选择性为230。
3）水蒸气吸附特性：实验显示，在低相对湿度下CALF-20对水蒸气的吸附量低，但随着相对湿度的增加，吸附量增加，呈现出S形的吸附等温线。
4）模拟计算：通过原子级蒙特卡洛（GCMC）模拟，研究了CO2在CALF-20中的结合位点和结合能，发现CO2与MOF的相互作用主要由分散力贡献。
5）穿透实验结果：在不同相对湿度下进行的CO2和H2O的竞争吸附实验表明，CALF-20在低相对湿度下对CO2的吸附能力几乎不受水蒸气的影响，并且CO2的存在抑制了水的吸附。
6）工业规模测试：CALF-20在工业规模测试中显示出良好的稳定性和耐久性，即使在模拟的水泥窑尾气中也能保持性能，没有明显的性能损失。


总结展望
1）本文报道的CALF-20材料具备了工业级CO2捕获所需的多项理想特性，包括高CO2吸附容量、快速的吸附/脱附动力学、在湿气体中的高选择性、温和的再生条件、可塑性、耐久性以及生产成本低廉且可扩展。这些特性使得CALF-20在工业规模的CO2捕获中具有潜在的应用价值。
2）建议未来的研究关注CALF-20在更广泛的工况条件下的性能，以及如何进一步降低生产成本和提高材料的可加工性。同时，探索CALF-20在其他气体分离领域的应用潜力。

A scalable metal-organic framework as a durable physisorbent for carbon dioxide capture
文章作者：Jian-Bin Lin, Tai T. T. Nguyen, Ramanathan Vaidhyanathan, Jake Burner, Jared M. Taylor, Hana Durekova, Farid Akhtar, Roger K. Mah, Omid Ghaffari-Nik, Stefan Marx, Nicholas Fylstra, Simon S. Iremonger, Karl W. Dawson, Partha Sarkar, Pierre Hovington, Arvind Rajendran, Tom K. Woo, George K. H. Shimizu
DOI：10.1126/science.abi7281
文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi7281