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Small | 探索金属有机框架的碳捕集潜力：从材料设计到实际应用

Carbon Research · 公众号 · 科技自媒体 · 2024-10-31 00:00

正文

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

来源

索引

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.

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Recent Advances of Carbon Capture in Metal–Organic Frameworks: A Comprehensive Review.pdf

文章摘要

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。

要点图例

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 CO2 adsorption in dmpn−Zn2(dobpdc) at 100 K. b) Dry and humid 15% CO2 in N2

Figure 3 a) The metallic nodes of Zn(BPZNH2) and Cu(BPZNH2). b) Portion of Zn(BPZNH2) packing, viewed in perspective along the [001] crystallographic direction. c) CO2 adsorption isotherms measured at 298 K and 273 K on Zn(BPZNH2). Reproduced with permission. Copyright 2019, Royal Society of Chemistry.

Figure 4 a) Adsorption density distribution of CO2 and H2O in the pores of Fe-dbai under dry and humid conditions. b) Experimental column breakthrough curves for CO2/N2 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-CuTiF6. b) CO2, N2, and CH4 adsorption isotherms and c) isosteric heat of CO2 adsorption (Qst) for dptz-CuTiF6 and dptz-CuSiF6. d) Dynamic column breakthrough tests for dptz-CuTiF6 with the gas mixture of CO2

Figure 6 a) The Hirshfeld surface with de (electrostatic potential) and binding sites in CeIV-MIL-140-4F. b) CO2 and C2H2 isotherms of CeIV- and ZrIV-MIL-140-4F collected at 298 K. c) Experimental breakthrough curves for CO2/C2H2

Figure 7 a) Structure of a portion of the Cu-BTT framework (left), and four different CO2 adsorption sites within the framework (right). Excess CO2 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.

文章结论

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。