英文题目：
High-temperature carbon dioxide capture in a porous material with terminal zinc hydride sites
具有末端锌氢化物位点的多孔材料在高温下捕获二氧化碳
期刊名称：Science
发表日期：15 November 2024
DOI号：10.1126/science.adk5697
摘要内容：
本研究报道了一种具有末端锌氢化物位点的多孔金属-有机框架（MOF），能够在高于200°C的温度下可逆地捕获二氧化碳（CO2），这一条件对于固有多孔材料来说是前所未有的。通过气体吸附、结构、光谱和计算分析揭示了这种转变的快速、可逆性质。扩展循环和突破分析表明，该材料能够在与燃烧后捕获相关的低CO2浓度和高温条件下实现深度碳捕获。
研究背景和意义：
碳捕获技术是限制全球变暖的重要策略。尽管可再生能源的使用正在加速，但化石燃料仍预计将在未来几十年内供应大部分全球能源。使用水溶液胺进行燃烧后CO2捕获是最成熟的技术，但这些溶液的高热容、腐蚀性和挥发性迄今为止阻碍了它们的广泛采用。此外，由于水溶液胺与CO2反应的相对较低温度（≤60°C），它们的使用将需要将许多目标高温排放流（如钢铁和水泥制造产生的>200°C）大幅冷却，这将增加资本和运营成本。因此，研究能够在更高温度下捕获CO2的材料具有重要意义。
本研究解决了在接近许多工业排放流温度（>200°C）的条件下捕获CO2的问题，这是MOFs领域中的一个新突破。创新点在于发现了一种能够在200°C至400°C之间可逆捕获CO2的ZnH-MFU-4l材料，这一温度范围对于MOFs来说是前所未有的。这种材料不仅能够快速吸附CO2，而且在长期循环中表现出卓越的稳定性。
实验步骤：
实验步骤包括ZnH-MFU-4l的合成和初步表征、CO2吸附特性和在高温下的等温操作、CO2吸附机制的结构和光谱研究、与工业CO2捕获相关的吸附性能研究、CO2插入的动力学和自由能景观研究。具体的实验方法包括气体吸附分析、X射线衍射分析、固体核磁共振光谱、原位漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）分析、热重分析（TGA）和密度泛函理论（DFT）计算等。
主要结果和结论：
ZnH-MFU-4l在25°C和50°C时的CO2吸附容量分别为1.16和1.15 mmol/g，而在100°C时，吸附容量急剧增加至3.23 mmol/g。进一步升温，材料在150°C时的吸附容量达到3.27 mmol/g，且在1 bar压力下达到3.52 mmol/g。此外，ZnH-MFU-4l能够在高温下完全脱附CO2，且没有滞后现象。经过508次循环后，材料保持了超过96%的初始吸附容量，显示出卓越的稳定性。这些结果表明ZnH-MFU-4l是一种极有前景的高温CO2捕获材料。
详细机理：
通过X射线衍射和固体核磁共振光谱研究了ZnH-MFU-4l中CO2吸附的机制。实验结果证实，CO2通过插入Zn-H键转化为Zn(O2CH)-MFU-4l。原位DRIFTS数据支持了CO2插入机制的可逆性和快速性。通过密度泛函理论计算，得到了与实验值一致的CO2吸附和脱附的活化焓和活化熵，揭示了CO2激活过程中的显著熵罚和大的动力学能量障碍。这些结果解释了为什么CO2化学吸附仅在高温下发生。
（来源：MOF在线 版权属原作者 谨致谢意）
