超微孔功能化MOF高效选择性捕获低浓度CO2

来源：中国科学杂志社

二氧化碳捕获，尤其超低浓度CO2的捕获，对人类在限域空间中长时间工作、降低天然气液化过程中CO2腐蚀及冻结效应极为重要。对于CO2吸附材料，低压范围内（>0.01 bar）吸附容量由主-客体相互作用决定;压力升高后，吸附容量由多孔材料的孔容量决定。若要实现低浓度CO2的高效捕获，需在多孔材料中引入对CO2具有识别性的强作用位点。基于此，近期研究首次报道了一种具有一维超微孔（<0.7 nm）孔道的ZU-16-Co（TIFSIX-3-Co）材料，该材料孔道中含有大量电负性F原子，实现了400–10,000 ppm浓度下CO2的高效捕获。

图1 阴离子功能化ZU-16-Co中CO2的吸附位点

图2 (a) CO2在阴离子功能化超微孔材料上的吸附曲线。(b)阴离子功能化超微孔材料对CO2的捕获性能比较。(c) CO2、N2和CH4的吸附等温线。

相比同构材料，孔径为3.62 Å的ZU-16-Co在0.01和1.0 bar表现出最高的吸附量，分别为2.63和2.87 mmol/g。DFT模拟研究表明，ZU-16-Co具有优异的CO2捕获性能来源于其精准调控的孔道与CO2较强的主客体相互作用(F···C=O)及相对较大的孔容。此外动态混合气(1/99和15/85 CO2/N2，50/50 CO2/CH4)固定床穿透实验也表明ZU-16-Co具有优良的CO2捕获性能。该工作精准调控的孔化学尺度及周期性排布的电负性功能位点带来的良好的CO2捕获、分离性能使得超微孔ZU-16-Co成为极具前景的低浓度CO2吸附剂。同时为研究开发新型多孔吸附剂材料提供一种设计思路。