【GO@MOF-808固碳】通过合成氧化石墨烯复合MOF-808材料提高的CO2吸附效率

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摘要：
Iran University of Science and Technology的Ahad Ghaemi等报道的本篇文章（Sci Rep 14, 18871 (2024)）中开发了一种新型的胺改性MOF-808（MOF-NH2）和氧化石墨烯（GO）复合材料，以增强CO2的捕获能力。利用响应面方法-中心组合设计（RSM-CCD）进行实验设计，合成了不同GO负载量（0至30 wt%）的MOF-NH2/GO样品。通过SEM、XRD、EDS和BET分析的结果表明，这些材料保持了MOF的晶体结构，具有独特的质地、高孔隙度和富氧表面化学特性。研究了温度（25-65°C）和压力（1-9 bar）对CO2吸附容量的影响，发现在22.6 wt%的GO重量百分比、25°C的温度和9 bar的压力下，CO2的最大吸附容量可达303.61 mg/g。氨基团的引入增强了CO2的吸附容量。等温线和动力学分析表明，Freundlich和分数阶模型最能描述CO2吸附行为。热力学分析显示该过程是放热的、自发的和物理的，焓变-16.905 kJ/mol，熵变-0.030 kJ/mol K，Gibbs自由能变-7.904 kJ/mol。质量传递扩散系数随着GO负载量的增加而增加。再生性测试表明高性能和弹性，在十五个循环后效率仅下降5.79%。这些发现表明这些复合材料在CO2捕获技术中具有巨大的潜力。

研究背景：
1. 全球气候变化和环境问题促使人们越来越关注碳捕集和储存（CCS）技术。传统的液态胺CO2捕集方法虽然有效，但存在高能耗、潜在腐蚀问题和胺在吸收过程中的损失等限制。
2. 近期研究包括开发基于胺的纳米流体和非水胺溶液，这些方法提高了吸收效率并减少了能耗。将纳米颗粒添加到基于胺的纳米流体中，提高了吸收容量和质量传递性能。
3. 本文作者通过将胺基团引入MOF-808并与氧化石墨烯（GO）复合，制备了一种新型的复合材料。这种材料不仅保持了MOF的高孔隙度和大表面积特性，还通过GO的引入增强了材料的CO2吸附效率。

实验部分：
1. GO的制备
   - 将高纯度石墨粉、硫酸、高锰酸钾等化学物质按比例混合，维持在40°C下反应12小时。
   - 反应后，将混合物冷却并加入冰水，随后加入氢氧化钠和过氧化氢进行还原。
   - 通过过滤、洗涤和干燥，得到GO纳米片。
2. MOF-NH2/GO复合材料的合成
   - 将一定量的GO分散在DMF溶剂中，加入ZrOCl2·8H2O和5-氨基异苯二甲酸(AIPA)前驱体，形成混合溶液。
   - 在特定的溶剂热条件下，将混合溶液加热至130°C反应48小时。
   - 反应结束后，通过离心、洗涤和干燥得到MOF-NH2/GO复合材料。
3. CO2吸附实验
   - 使用体积吸附系统，在设定的温度和压力下，向MOF-808/GO复合材料中通入CO2。
   - 测量不同条件下的CO2吸附量，记录吸附前后的压力变化。
4. 再生性测试
   - 将吸附饱和的MOF-NH2/GO复合材料在真空烘箱中于95°C下加热2小时进行再生。
   - 重复吸附-再生过程十五次，评估材料的循环稳定性。

分析测试：
1. FTIR分析
   - 测试得到MOF-NH2/GO复合材料的FTIR光谱，确定了材料中存在的官能团，如-OH、-NH2和C=O等。
2. BET分析
   - 通过氮气吸附-脱附等温线，得到MOF-NH2/GO复合材料的比表面积(SBET)范围在1014.36 m²/g至2021.37 m²/g。
3. SEM和TEM分析
   - SEM图像显示了MOF-NH2/GO复合材料的形态，TEM图像用于测量材料的粒径，平均粒径范围为16.32 nm至55.97 nm。
4. EDS分析
   - 通过EDS分析，确定了MOF-NH2/GO复合材料中C、O、N和Zr元素的重量百分比。
5. TGA分析
   - TGA曲线显示了MOF-NH2/GO复合材料在不同温度下的热稳定性和质量损失。
6. CO2吸附等温线
   - 在298 K和1至9 bar压力下，MOF-NH2/GO-22.6%样品的CO2吸附量达到最大值303.61 mg/g。
7. CO2吸附动力学
   - 使用分数阶动力学模型对CO2吸附数据进行拟合，得到相关参数。
8. CO2吸附热力学
   - 通过Van't Hoff方程计算了CO2吸附过程的焓变(ΔH0)、熵变(ΔS0)和Gibbs自由能变(ΔG0)。
9. CO2扩散系数计算
   - 根据吸附数据，计算了MOF-NH2/GO复合材料的CO2扩散系数(Dm)，范围在1.22 × 10⁻¹³ cm²/s至10.89 × 10⁻¹³ cm²/s。
10. CO2吸附机制分析
    - 通过FTIR光谱分析了MOF-NH2/GO复合材料吸附CO2前后的化学变化，确认了物理吸附和化学吸附两种途径。

总结：
本文成功开发了一种新型的MOF-NH2/GO复合材料，通过实验和理论分析，证明了该材料在CO2捕获方面的高效性能。材料的高比表面积、高孔隙度和特殊的表面化学性质使其在CO2吸附方面具有显著优势。此外，该材料在十五个循环后仍显示出良好的再生性和稳定性，为CO2捕获技术提供了一种潜在的高效吸附剂。

展望：
本研究为CO2捕获技术的发展提供了新的思路和材料选择。未来的工作可以进一步探索该材料在工业规模应用中的性能，包括其长期稳定性和在不同环境条件下的吸附效率。此外，可以研究通过进一步优化GO的负载量和MOF的结构来提高材料的吸附容量和选择性。还有必要深入研究材料的再生机制和长期循环稳定性，以实现其在实际应用中的可持续性和经济性。

Improving CO2 adsorption efficiency of an amine-modified MOF-808 through the synthesis of its graphene oxide composites
文章作者：Heidar Javdani Esfahani, Ahad Ghaemi & Shahrokh Shahhosseini
DOI：10.1038/s41598-024-69767-9
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41598-024-69767-9

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