文章介绍了金属有机框架（MOF）在碳捕集方面的最新研究进展。包括其在不同应用场景下的碳捕集能力，提高二氧化碳选择性吸附与分离的策略，以及基于MOF的复合材料的最新进展。同时，文章还讨论了MOF材料在实际碳捕集应用中面临的问题和未来研究方向。
MOF作为一种新型高性能吸附剂，因其超高比表面积及独特的孔结构，展现了从大型排放源与环境空气中捕集二氧化碳的巨大潜力。过去六年中，MOF在二氧化碳捕集与分离领域取得了显著进展。
研究团队提出了多种方案并进行了大量实验，以增强MOF对二氧化碳分子的精确识别能力。这些方案包括配体优化及后合成修饰以控制孔的极性、设计具有二氧化碳筛分特性的通道等。
尽管MOF在二氧化碳捕集方面取得了重要进展，但仍面临诸多局限性。实际应用中需要多种先进技术相结合以实现对二氧化碳的精确识别。此外，稳定性问题、规模化生产以及与其他工艺技术的整合等也是MOF材料在实际应用中需要解决的关键问题。
探索金属有机框架的碳捕集潜力：从材料设计到实际应用
Recent Advances of Carbon Capture in Metal–Organic Frameworks: A Comprehensive Review
Li W. Recent advances of carbon capture in Metal–Organic frameworks: A comprehensive review.
Small (Weinheim an der Bergstrasse, Germany)
. 08/2024;0(0). doi: 10.1002/smll.202402783.
Recent Advances of Carbon Capture in Metal–Organic Frameworks: A Comprehensive Review.pdf
近日，
北京工业
大学材料科学与工程学院
研究人员对温室气体的过量排放进行了深入探讨，这一现象不仅导致了全球变暖，也引起了国际社会的广泛关注。研究人员指出，碳中和的全球倡议正在如火如荼地进行，碳捕集与封存（CCS）技术作为一种多功能的减排技术，受到了广泛的研究兴趣。金属有机框架（MOFs），作为一种新型高性能吸附剂，因其超高比表面积及独特的孔结构，展现了从大型排放源与环境空气中捕集二氧化碳的巨大潜力。
近几年来，MOFs在二氧化碳捕集与分离领域取得了显著进展，研究人员发表了若干重要成果，极大促进了MOF材料在实际碳捕集应用中的发展。
某研究单位的相关团队对过去六年中MOF材料在不同应用场景下的碳捕集先进研究进行了系统总结，详细描述了提高二氧化碳选择性吸附与分离的策略，以及基于MOF的复合材料的最新进展。
同时，这项研究综合总结了MOF材料在实际碳捕集应用中备受关注的诸多问题，为今后的研究提供了宝贵的参考。
研究人员还展望了未来MOF材料在二氧化碳捕集领域的研究方向，提出了可能的创新思路及应用前景。通过不断推进MOF技术的研究与优化，这将为全球实现碳中和目标提供坚实的技术支持。
Figure 1
Based on the Carbon Monitor database, the carbon emissions of various countries and sectors around the world are summarized. Gt, gigaton.
Figure 2
a) View down the
c
-axis of the single-crystal X-ray diffraction structure of the carbamic acid pairs formed upon CO
2
adsorption in dmpn−Zn
2
(dobpdc) at 100 K. b) Dry and humid 15% CO
2
in N
2
Figure 3
a) The metallic nodes of Zn(BPZNH
2
) and Cu(BPZNH
2
). b) Portion of Zn(BPZNH
2
) packing, viewed in perspective along the [001] crystallographic direction. c) CO
2
adsorption isotherms measured at 298 K and 273 K on Zn(BPZNH
2
). Reproduced with permission. Copyright 2019, Royal Society of Chemistry.
Figure 4
a) Adsorption density distribution of CO
2
and H
2
O in the pores of Fe-dbai under dry and humid conditions. b) Experimental column breakthrough curves for CO
2
/N
2
separations on Fe-dbai under dry and humid (60% RH) conditions. Reproduced with permission. Copyright 2023, American Chemical Society.
Figure 5
a) Structural description of dptz-CuTiF
6
. b) CO
2
, N
2
, and CH
4
adsorption isotherms and c) isosteric heat of CO
2
adsorption (
Q
st
) for dptz-CuTiF
6
and dptz-CuSiF6. d) Dynamic column breakthrough tests for dptz-CuTiF6 with the gas mixture of CO
2
Figure 6
a) The Hirshfeld surface with d
e
(electrostatic potential) and binding sites in Ce
IV
-MIL-140-4F. b)
CO
2
and C
2
H
2
isotherms of Ce
IV
- and Zr
IV
-MIL-140-4F collected at 298 K. c) Experimental breakthrough curves for CO
2
/C
2
H
2
Figure 7
a) Structure of a portion of the Cu-BTT framework (left), and four different
CO
2
adsorption sites within the framework (right). Excess CO
2
adsorption isotherms obtained at 298 K (b) and isosteric heats of adsorption (c) for various M-BTT analogs. Reproduced with permission. Copyright 2018, Royal Society of Chemistry.
在过去六年中，金属有机框架（MOF）材料在二氧化碳捕集方面取得了显著进展。
为了增强MOF对
二氧化碳
分子的精确识别能力，研究团队提出了多种方案并进行了大量实验，这些方案包括配体优化及后合成修饰以控制孔的极性、设计具有
二氧化碳
筛分特性的通道等。
生物启发型MOF的涌现为基于MOF的
二氧化碳
吸附剂设计提供了全新策略，进一步拓展了MOF材料在实际应用中的探索空间。
随着应用的推进，材料和工艺愈加复杂，需要多种先进技术相结合以实现对
二氧化碳
的精确识别。
尽管通过对单一技术的深入研究，MOF在
二氧化碳
捕集方面取得了重要进展，但仍面临诸多局限性。
因此，多种高效技术的结合显得尤为重要。
这包括设计具有多种极性或非极性功能基团的筛分通道、将多种MOF串联组合以实现复杂废气或其他环境中的高效分离、以及将复合材料纳入MOF以促进实际应用。
其次，稳定性问题始终是科研人员关注的焦点，而如今水稳定框架的设计策略已相对成熟。
然而，水分与
二氧化碳
吸附之间的竞争仍然是一个挑战。
疏水框架对
二氧化碳
的亲和力较低，而共吸附框架则需要具备高再生能力，因此，框架设计需在多个因素之间寻求平衡。
此外，MOF材料的机械稳定性也引起了研究兴趣，因为其在实际应用中不可避免地涉及挤压和造粒。
因此，需要对MOF材料的整体机械性能进行深入研究，以实现小单元的改造。
第三，关于MOF材料的规模化生产，尽管已有一些尝试，实现实际的大规模生产仍面临挑战。
在工业应用中，一旦MOF材料集成到设备中，必须考虑气体流速、质量传输和热传递等热力学和动力学因素，以最大限度地提高进入框架的
二氧化碳
设计性以及分子行为与设备性能之间的关联，MOF材料的优化是一个持续的过程。
最后，在计算化学领域，随着计算技术和人工智能的发展，大规模筛选可以实现对所需MOF材料的选择性设计，从而有效避免时间和原材料成本的浪费。
因此，计算与实验相结合的方法能够加速MOF在
二氧化碳
2捕集方面的研究进展。
过去的研究主要集中在实验室中新材料的开发。
尽管这项工作充满挑战，但我们也应认识到，MOF材料的最终目标和未来在于商业化，从而满足工业需求。
为此，有几个要点需要解决：
一是将MOF材料与合适的工艺及回收支持设备整合，以实现低能量损耗和高生产率。
毫无疑问，工艺不是一成不变的，优化可以使其在设计约束下操作，尽可能提高生产率并降低能量损耗。
然而，探讨MOF材料的技术障碍对于其在碳捕集应用中的潜力仍然至关重要。
吸附剂的成本问题始终是其工业应用的一大制约，除了材料本身的合成成本，还必须考虑相应的过程成本。
此外，工业应用通常需经历不断变化的温度和压力梯度，因此吸附剂必须在多次重复循环中保持稳定，超出设施预期的使用寿命。
但稳定性测试是一个非常耗时的过程。
机器学习是一种有效的替代耗时实验程序的方法，但在测试方法的一致性和可靠性方面需要建立必要的标准。
显然，基于新型MOF材料的碳捕集技术在工业实施上面临巨大挑战。
然而，我们相信，开发更先进和实际的MOF材料是加速这一进展的重要一步。
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https://www.springer.com/journal/44246
改性生物炭：合成及其去除环境中重金属的机制
Modified biochar: synthesis and mechanism for removal of environmental heavy metals
更好地理解土壤中铁循环对碳的稳定及降解的作用
Towards a better understanding of the role of Fe cycling in soil for carbon stabilization and degradation
