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随着气候变化和碳中和目标的推进，从空气中直接捕获二氧化碳（CO₂）成为备受关注的技术。然而，要从低浓度（约400 ppm）的空气中高效捕集CO₂，需要材料具备高吸附容量、快速吸附动力学、低再生温度和高稳定性。现有的液体吸收剂、金属有机框架（MOF）等材料因能耗高、再生难或吸附性能不稳定等问题，难以满足长期使用需求。因此，开发高效、稳定且适用于开放空气的CO₂捕集材料是实现碳中和的重要一步。
成果简介
本研究开发了一种新型的共价有机框架材料（COF-999），通过结构修饰实现了在开放空气中高效、稳定地捕集CO₂。COF-999在400 ppm CO₂浓度条件下表现出优异的吸附性能，其在50%相对湿度下的CO₂吸附容量高达2.05 mmol g⁻¹，并可在60°C的低温条件下进行再生，且在100次吸附-解吸循环中性能几乎无衰减。COF-999的出色表现标志着该材料在空气中直接捕集CO₂领域取得了显著进展。
研究亮点
高吸附容量：COF-999在50%湿度下的CO₂吸附容量达到2.05 mmol g⁻¹，显著超越传统CO₂捕集材料。
快速动力学：COF-999在18.8分钟内即可达到一半的吸附容量，展示出超快的CO₂吸附速度。
低温再生：在60°C下，COF-999即可完成再生过程，能耗较低，适用于长期使用。
高循环稳定性：在100次循环吸附-解吸测试中，COF-999的性能保持稳定，具备优异的结构稳定性和抗湿性。
配图精析
图1：COF-999的设计策略和合成过程示意图，展示了其从前体结构到高效捕集CO₂的多步转化。
图2：COF-999的粉末X射线衍射（PXRD）和固态核磁共振（NMR）表征结果，确认了其高度有序的结构和氮官能团的转换。
图3：COF-999在不同湿度和CO₂浓度条件下的吸附性能，表明湿度有助于提高CO₂的吸附量。
图4：COF-999的100次吸附-解吸循环稳定性测试结果，展示出该材料在长时间空气暴露下的高稳定性和抗湿性。
展望
COF-999在开放空气中实现了对CO₂的高效、稳定捕集，为未来的碳捕集技术开辟了新方向。未来的研究将进一步优化COF材料的结构设计，提高吸附容量和稳定性，同时推动COF在大规模空气净化装置中的应用，实现温室气体的有效控制和减排。
文献信息
期刊：Nature
DOI：10.1038/s41586-024-08080-x
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08080-x
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