Small Structures:柔性MOF助力高能效碳捕集

大规模碳捕集是实现“碳达峰、碳中和”目标的可持续技术。固体吸附剂与传统的液体吸收剂相比更具高效率、低能耗和环境友好性,在未来大规模碳捕集表现出更为广阔的应用前景。伴随着网格化学的快速发展和逐渐成熟,金属–有机框架(MOF)材料因其具有构-效关系明确、孔道结构可调、孔表面可修饰等特点而成为碳捕集材料的研究热点,具有更高碳捕集工作容量和CO2吸附选择性的MOF材料近年来被不断报道,特别是其在潮湿环境中的碳捕集性能也得到了不断提升。然而,根据热力学第二定律:较高的吸附量与选择性必然带来更大的吸附热,因此往往难以兼顾高工作容量、高吸附选择性和较低的吸附热,成为多孔材料通往高能效碳捕集的一大科技挑战。作为吸附诱导相变的框架材料,柔性MOF可对CO2表现出台阶式吸附曲线,在吸附质分压到达临界值后发生结构转变吸收热量,并可提高自身的孔体积和吸附量,从而有望在保持高CO2吸附选择性的前提下,获得更高的工作容量和实现“自我热管理”,成为解决这一难题的技术路线。

近日,上海科技大学章跃标课题组在Small Structures上综述了柔性MOF在碳捕集领域的研究进展,并被选为当期杂志的内封底亮点报道。作者从早期的代表性柔性MOF出发介绍了门控吸附对于柔性MOF吸附选择性的重要性,进而介绍了调控柔性以产生更好分离性能的方法,包括工作压力调控、晶体尺寸调控与活化溶剂调控,并分析了柔性MOF在实际碳捕集应用中所面临的问题与现有的解决方案,对用于碳捕集的柔性MOF材料发展做出展望。

柔性MOF在碳捕集应用领域的独特优势

文章首先介绍了ELM-11、MIL-53、[Cu2(dhbc)2(bpy)]n等三种典型的柔性MOF并揭示了其门控型吸附的共性,其中着重介绍了MIL-53的碳捕集性能与柔性调控手段;之后,作者们结合具体实例介绍了不同的柔性调控手段(工作压力调控、晶体尺寸调控、活化溶剂调控等)对于改良柔性MOF碳捕集性能的效果,并着重介绍了晶体尺寸调控对柔性MOF气体吸附行为的影响;作者们还列举了柔性MOF应用于碳捕集时的技术挑战,如结构转变带来的晶体碎裂问题、气体穿透分离测试时的“溜脱”现象、柔性MOF晶体难以成型等,并列举了近年来有助于解决上述挑战的优秀工作。文章最后还对用于碳捕集的柔性MOF研发进行了展望,强调了先进表征技术在探究柔性MOF构-效关系中的关键作用,并肯定了人工智能驱助力材料研发技术对柔性MOF合理设计的指导作用。

章跃标课题组对国家自然科学基金委、上海市科委、“一带一路”国际科学组织联盟和上海科技大学科研启动费对相关研究工作的经费支持表示衷心感谢。

论文信息:

Flexible Metal–Organic Frameworks as CO2 Adsorbents en Route to Energy-Efficient Carbon Capture

Xuan Yao, Kyle E. Cordova, Yue-Biao Zhang*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100209

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100209