MOF/COF大神，再发Nature！

Andy_chen 4周前 (10-24) 744浏览

一、【科学背景】

空气中CO2的捕获是一种有效应对气候变化和实现碳中和目标的重要途径，因其能够直接从空气中移除温室气体，成为了研究热点。然而，目前用于空气直接捕获（DAC）的材料仍然面临容量低、再生温度高以及循环稳定性差等问题，这些挑战限制了其大规模应用。液态碱性溶液、金属有机框架（MOF）和硅胶负载胺等候选材料虽然展示了一定的潜力，但仍存在能耗高、毒性以及材料在水分和氧气存在下的稳定性问题。

有鉴于此，美国加利福尼亚大学伯克利分校Omar M. Yaghi以及德国柏林洪堡大学Joachim Sauer团队联合在Nature顶刊发题为“Carbon dioxide capture from open air using covalent organic frameworks”的最新发现。他们提出了一种新型的多孔结晶共价有机框架（COF-999），并通过在其孔隙中共价附着胺引发剂后合成聚胺，增强了CO2的捕获能力。研究结果表明，COF-999在400 ppm CO2浓度下能够实现高达2.05 mmol/g的捕获容量，并且在50%相对湿度下经过100次吸附-脱附循环后，仍保持稳定的性能。此外，该材料再生温度仅为60°C，展现了其在实际条件下的优越性。

二、【科学亮点】

  1. 高效CO2捕获能力：本研究开发的共价有机框架（COF-999）在50%相对湿度下能够从400 ppm CO2的空气中选择性捕获2.05 mmol/g的CO2，显著高于现有材料的性能。
  2. 快速动力学：COF-999在捕获CO2时表现出优异的速率，仅需18.8分钟即可达到半容量，满足高效空气捕获的需求。
  3. 低再生温度：该材料的CO2再生温度仅为60℃，有效降低了能耗，推动了可持续捕获技术的发展。
  4. 卓越的循环稳定性：经过超过100次的吸附-脱附循环测试，COF-999完全保持了其性能，展示了长期使用的可靠性。
  5. 创新的材料设计：通过结合疏水性建构单元和共价结合的聚胺，COF-999在设计上优化了材料的孔结构，增强了CO2的吸附能力和稳定性。

三、【图文导读】

图1: 共价有机骨架covalent organic framework，COF-999设计策略和合成。

图2: 共价有机骨架COF-999系列的特征。

图3: 共价有机骨架COF-999的热力学和动力学气体吸附研究。

图4:从户外空气中捕获二氧化碳。

四、【科学启迪】

本文的研究为二氧化碳捕集提供了一种新型的材料方案，即具有烯烃连接骨架和共价结合吸附位点的COFs（共价有机框架），显示出卓越的化学稳定性和优异的CO2捕集性能。这一成果不仅为实现清洁空气奠定了基础，也揭示了构建稳健框架骨架材料的潜力。这类材料的成功合成标志着一个重要的里程碑，可能成为碳捕集领域的一大类材料，为今后更多相似结构的设计、研究和应用提供了灵感。此外，研究还强调了COF的可扩展性和实际设备设计的重要性，提示科学家们在探索新材料时，不仅要关注其性能，还需考虑大规模应用的可行性。这种思路可以引导未来在气候变化和环境保护等领域，针对各种气体的捕集与转化，开发出更多具有广泛应用前景的高效材料，从而助力可持续发展目标的实现。

原文详情：Zhou, Z., Ma, T., Zhang, H. et al. Carbon dioxide capture from open air using covalent organic frameworks. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08080-x.

本文由Andy供稿。

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