章跃标课题组JACS：揭示烟道气碳捕获材料设计原理

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大规模碳捕获是全球应对气候变迁最重要的解决方案之一，而从火电厂等高湿度、高酸度烟道气中高效捕获二氧化碳是最紧迫的科技挑战。近日，我校物质学院章跃标课题组和合作者研究了具有超常化学稳定性、可调CO2/H2O动力学吸附选择性和较低再生能耗的MOF材料及其吸附分离机理，可实现低能耗、高性能、可循环的烟道气碳俘获。该成果题为“Robust Metal−Triazolate Frameworks for CO2 Capture from Flue Gas”已在国际化学专业期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上在线发表，并被欧洲化学出版协会《ChemistryViews》杂志亮点报道。

MOF亲水孔道

       金属-有机框架（Metal-organic  frameworks, MOFs）作为新兴的晶态多孔材料，具备结构可设计、孔表面可修饰、吸附位点明确等优点，已有超过8万种MOF晶体结构被报道，以及超过30万种MOF材料被计算机预测筛选，在CO2选择性吸附分离应用上潜力巨大。然而在实际工况下，烟道气（典型组成：75% N2, 15% CO2, 5% H2O, 3−4% O2, 800 ppm SO2以及500 ppm NOx）含有的水蒸汽和酸性气体可造成材料结构破坏、吸附位点占据和再生能耗提高，亟需在分子级别上理解和阐明其结构设计原理和竞争吸附机制。与常用的疏水孔道设计策略不同，该研究采用了由-(Zn-F-Zn-F)n-一维链状构筑基元和1,2,4-三氮唑构成的亲水超微孔道，研究了不同湿度下H2O和CO2的竞争吸附，揭示了热力学H2O优先吸附（H2O/CO2选择性>2000）在工作条件下被CO2动力学优先吸附（CO2 /H2O选择性>70）反转行为，并通过第一性原理计算和分子模拟解释共吸附的H2O增强吸附CO2的原理和吸附在孔道中间的CO2可进一步阻碍吸附位点在孔壁H2O吸附的动力学竞争机制。研究还发现，芳香性氨基作为修饰官能团所具备的给电子效应、空间屏蔽效应和质子缓冲效应对MOF框架的热稳定性和超常化学稳定性具有正面作用，并可以精细调控材料的CO2/N2的吸附选择性和CO2/H2O的动力学选择性。得益于其超常的稳定性与温和的吸附热，该MOF材料填充柱在不同湿度混合气，以及烟道气模拟气的动态吸附穿透实验都表现稳定的吸附分离性能，并具有较低的活化能耗。通过合理设计即使是亲水的MOF材料仍可应用于高湿度烟道气俘获并大大降低再生能耗。
       上科大为该项成果第一完成单位，2016级博士生师兆麟为第一作者，章跃标教授为唯一通讯作者。2019级博士生陶宇和2018级博士生贺海龙参与了MOF材料的制备和表征；Yongjin Lee教授和2018级硕士生邬家晟负责了吸附位点计算和机理解释；李涛教授和2015级本科生张崔政参与了动态吸附穿透实验研究；分析测试中心隆柳柳工程师参与了吸附动力学研究并为共同作者。该项工作受到了国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金项目和金砖国家国际（地区）合作研究项目的资助。


        
       文章来源：上海科技大学
       章跃标 ,助理教授、上海科技大学研究员。2011年毕业于中山大学化学与化学工程学院，获无机化学专业博士学位（导师：陈小明院士）；2011年8月至2015年1月先后在美国加州大学洛杉矶分校、劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校从事博士后研究（合作导师：Omar M. Yaghi教授）；2015年2月加入上海科技大学物质科学与技术学院，任助理教授。