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金屬-有機骨架（MOFs）材料是一類由無機金屬離子與有機配體構筑而成的網(wǎng)格結構晶體，也被稱為多孔配位聚合物。目前實驗室合成的MOF已經(jīng)有20000多種，按類型可以分為網(wǎng)狀金屬有機框架材料IRMOF、沸石-咪唑框架材料ZIF、萊瓦希爾有機框架材料MIL和通道式框架材料PCN ，各自的代表材料有MOF-5、ZIF-8、MIL-101和HKUST-1。近年來MOFs的發(fā)展迅猛異常，在氣體分離、水凈化、工業(yè)催化、生物醫(yī)藥等各個領域得到了廣泛研究。

與其他傳統(tǒng)多孔材料相比，MOFs具有豐富的、高度有序的、可調(diào)的結構，MOFs早期應用主要集中在氣體儲存和分離方面，隨后其在催化、化學傳感器、污染物吸附、生物醫(yī)學等諸多領域中的應用也得到了快速發(fā)展。

最新研究進展

隨著全球經(jīng)濟與人口的快速發(fā)展，能源消耗也在顯著增長。迄今為止，全球超過85%的能源需求由化石燃料提供，這導致了大量的CO2被排放到空氣當中。大氣中高濃度的CO2對氣候變化的潛在影響引起了全世界的關注，開發(fā)有效的CO2捕集技術十分必要。

2022年，Lu Shao團隊受自然界中根瘤菌誘導根瘤生物共生過程啟發(fā)，開發(fā)了一種全新的策略構建具有超高MOF（ZIF-8）含量的混合基質(zhì)膜。在氯仿/水混合溶劑環(huán)境下，合成的ZIF-8晶體尺寸更?。▇100 nm），并能均勻分散在高滲透性的自聚微孔聚合物（PIM-1）基體中，ZIF-8的負載量高達67.2 wt.%，PIM-1的氰基與ZIF-8的-NH基團間的特異相互作用保證了新型混合基質(zhì)膜優(yōu)異的界面相容性，避免了超高含量下MOF的團聚現(xiàn)象和膜中非選擇性缺陷的產(chǎn)生。超高含量MOF負載能顯著增強混合基質(zhì)膜的二氧化碳溶解系數(shù)，賦予其優(yōu)異的選擇性，并同時可以提高PIM-1膜的抗物理老化和塑化的能力，增強膜在實際應用過程中的穩(wěn)定性。PNAS上發(fā)表的首篇碳捕集分離膜研究工作。

圖1 金屬有機骨架混合基質(zhì)膜合成示意圖

圖2 在308 K下二氧化碳的吸附/解吸等溫線

Yunling Liu課題組在2016年報道了兩例基于超分子構筑塊（Supermolecularbuilding blocks，SBBs）策略合成的同構MOFs JLU-Liu20和JLU-Liu21。如圖3所示，豐富的OMS和LBS，以及結構中大的比表面積與多種籠結構的存在，使得JLU-Liu20和JLU-Liu21表現(xiàn)出高的CO2捕獲能力。其中，JLU-Liu20對CO2的最大吸附量在273 K條件下可達210 (41.2 wt%) cm3·g-1，在298 K條件下為118 (23.2 wt%) cm3·g-1。

圖3 不同溫度下JLU-Liu20和JLU-Liu21的CO2吸附曲線及CO2吸附焓

2022年，O. M. Yaghi課題組通過將MOF-808氨基酸功能化，得到了一系列的MOF-808-AA（AA：代表11種氨基酸）。其中氨基酸內(nèi)的胺基指向孔道內(nèi)部，可以與CO2間產(chǎn)生足夠的親和力從而生成氨基甲酸酯和氨基甲酸。這種CO2化學反應使該材料在潮濕環(huán)境中表現(xiàn)出增強的CO2捕獲能力，并且可以在不加熱的條件下完成CO2的解吸附。在此基礎上，該課題組進一步考察了MOF-808-Gly在模擬煤煙氣條件下通過真空擺動吸附來捕獲和釋放CO2的性能。實驗結果表明，MOF-808-Gly可以反復捕獲、釋放CO2，循環(huán)次數(shù)可達80次以上。該研究首次將增加濕度提高CO2吸收量與低能量真空擺動吸附工藝相結合進行煙道氣中CO2的捕獲，揭示了胺基基團與MOF骨架間的強烈結合，從而實現(xiàn)在不加的溫和條件下結合和釋放CO2，有助于實現(xiàn)節(jié)能的CO2吸附與解吸循環(huán)（圖4）。

圖4  MOF-808-Gly常溫及真空條件下捕獲釋放CO2示意圖

圖5 MOF-808、MOF-808-FR和MOF-808-Gly的CO2吸附曲線

實驗探究

我們與某公司合作探究一種MOF在195K和室溫下對于二氧化碳的吸附表現(xiàn)。從下圖我們可以看出，該樣品在195K（干冰升華）下的飽和吸附量接近669cm3/g，用HK模型分析該樣品的孔徑集中分布在1.21nm左右。該實驗是用的我們專用的液氬裝置，控制恒溫容器的溫度在195K附近得到的。與此同時測試了該樣品在273K下的CO2吸附曲線，該樣品吸附量接近69.4cm3/g STP，在我們探究的所有樣品里邊，該樣品吸附量是比較高的。

測試儀器推薦

JW-BK300C 研究級比表面積及孔徑分析儀

BK300系列采用統(tǒng)一標準型集裝模塊，支持A型、B型升級為研究級C型；真空系統(tǒng)服務于分析站及脫氣站，可升級配置第二套真空系統(tǒng)，分別獨立應用于脫氣站及分析站。第二套真空系統(tǒng)也可配置分子泵（適用于C型）；可升級多路進氣，最高8路測試氣（含回填氣）、1路He氣，便于多種氣體自動選擇吸附測試；支持升級為國內(nèi)外獨有的兩種混合氣體的選擇性吸附性能分析，為氣體環(huán)境凈化領域提供了非常有意義的分析方法。

JW-MIX 100競爭吸附與傳質(zhì)分析儀

這一款是我們近期研發(fā)的競爭吸附與傳質(zhì)分析儀。它集眾多功能于一體，像一些常見功能如動態(tài)氣流吸附與解吸、穿透曲線的確定與評估、吸附動力學研究、共吸附和置換作用的研究、吸附選擇性的測定、混合氣體吸附平衡的測定、流動吸附過程的熱平衡研究都可以實現(xiàn)。甚至可以選擇配置色譜法和零長柱發(fā)測定擴散系數(shù)。