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工业烟气中的CO₂捕获新进展：基于锌氢 MOF 的高温解决方案
来自水泥和钢铁生产的工业烟气，正如流行歌手 Chappell Roan 所说，“热力十足”——工厂通常以超过 200 °C 的高温排放这些气体。然而，科学家发现了一种新型的金属有机框架（MOF），其结构中镶嵌了锌氢（ZnH）。这种 MOF 能在 200–300 °C 的高温范围内可逆地捕获二氧化碳。这一发现为二氧化碳的高效捕集提供了一种新途径，不需要进行昂贵且高耗能的冷却过程。
MOF 捕获工业气体中的 CO₂：长期以来的研究目标
利用 MOF 从工业烟气中捕获 CO₂ 一直是研究热点，并吸引了像 Baker Hughes 和 BASF 等公司的注意。然而，传统 MOF 在高温条件下表现不佳，其根本原因在于热力学中的熵效应。
“熵的作用意味着，在高温下，气体分子不倾向于附着在固体表面，”加州大学伯克利分校的 Jeffrey R. Long 教授解释道，他领导了这项研究。由于 CO₂ 分子具有酸性特性，因此 MOF 需要强碱性位点来实现捕获。大多数 MOF 采用胺基化合物，与 CO₂ 发生反应生成氨基甲酸铵。然而，胺基化合物具有较高的自由度，而氨基甲酸铵的自由度较低，因此这一转化过程涉及显著的熵变化。 “在高温下，要完成这种反应非常困难，”Jeffrey R. Long 教授补充道。
锌氢 MOF 的突破性表现
这项研究展示了一种创新性 MOF 材料，它不仅克服了高温熵效应的限制，还通过其独特的结构为 CO₂ 的捕获和释放提供了高效的解决方案。该成果可能为能源密集型行业减少温室气体排放带来显著影响，为高效碳捕集和封存（CCS）技术铺平道路。
CO₂ 与 ZnH-MFU-4l 的可逆反应
Jeffrey R. Long 教授团队的研究发现：ZnH-MFU-4l 的高温 CO₂ 捕获机制
一种名为 ZnH-MFU-4l 的金属有机框架 (MOF)，通过将 ZnH 作为碱性位点替代传统的胺基，可以在高温下捕获 CO₂。由于 ZnH 的自由度较低，与 CO₂ 反应生成甲酸锌时，熵变化相对较小。在高温条件下将该 MOF 置于真空中，可以释放出捕获的 CO₂。 ZnH-MFU-4l 最早由奥格斯堡大学 Dirk Volkmer 实验室在十年前开发。当时的研究表明，这种 MOF 能通过驱除 CO₂ 恢复到 ZnH 状态，但并未报道其 CO₂ 捕获能力。
探索 ZnH-MFU-4l 的反应性：从基础好奇到突破发现
“这源于对 ZnH 反应性的基础好奇心，”Jeffrey R. Long教授说道。Rohde 和 Carsch 认为 ZnH 应该能够与 CO₂ 迅速反应生成甲酸盐，但他们发现在室温条件下，ZnH-MFU-4l 中的 ZnH 并未发生预期反应。于是，他们尝试通过加热来促进 ZnH 的反应性，结果证实了这一方法的有效性。
“通常情况下，如果你在实验室中处理金属氢化物，它会非常活跃，不能直接暴露在空气或大气中。然而，这是一种惰性的金属氢化物，””Jeffrey R. Long教授解释道。他的团队已经让 ZnH-MFU-4l 样品在实验台上放置了两年，仍未发生任何反应。
惰性保护：ZnH 的动力学屏障
“这是因为 ZnH 受到动力学保护，”他指出。“ZnH 位于一个独特的‘口袋’中，这种结构导致反应需要克服较高的活化能。”
专家评价：
反应可逆性的意义 哥伦比亚大学研究有机金属化学的 Gerard Parkin（未参与此研究）表示，金属甲酸盐与金属氢化物之间的相互转化通常更倾向于稳定于某一种形式。他通过邮件评价道：“这种可逆转化的发现，对于 CO₂ 捕获的研究特别令人兴奋。我认为这可能只是冰山一角，扩展到其他金属系统可能会开发出更高效的解决方案。”
MOF 的潜力：从理论到应用 Volkmer 教授（同样未参与此研究）在邮件中表示，这项研究是一个“非常精彩的例子，展示了 MOF 化合物的巨大且尚未充分开发的技术潜力”。他提到，MOF 曾被认为仅适用于基础研究，而不具备实际应用价值。然而，他补充说，“过去几年已经清楚地表明，MOF 正在加速寻找其独特的应用领域，在某些情况下甚至能够超越或补充现有的多孔材料。”
这一研究不仅揭示了 ZnH-MFU-4l 在 CO₂ 捕获方面的高温可逆性能，还展示了 MOF 从基础研究到实际应用的转变潜力，为开发更高效的碳捕集材料奠定了新基础。
文献信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk5697
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