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，其中包括燃烧化石燃料作为能源，占地球大气中温室气体的很大一部分。根据美国环境保护署的数据，美国 16% 的二氧化碳排放量来自工业。
俄勒冈州立大学的科学家们找到了一种将化学结构的吸收能力提高一倍以上的方法，这种化学结构可用于从工厂烟道中净化二氧化碳。
由理学院的 Kyriakos Stylianou 领导的俄勒冈州立大学研究人员使用铜基 MOF，发现当首次暴露于氨气中时，其吸附二氧化碳的效率增加了一倍多。
“捕获 CO对于实现净零排放目标至关重要，“化学副教授 Stylianou 说。“MOF 因其孔隙率和结构多功能性而显示出很大的前景。”
MOF 是由带正电的金属离子组成的结晶材料，周围环绕着称为配体的有机“连接”分子。金属离子形成节点，将接头的臂结合在一起，形成一个看起来像笼子的重复结构;该结构具有纳米级孔隙，可以吸附气体，类似于海绵。
MOF 可以设计出多种成分，这些成分决定了 MOF 的特性，并且有数百万种可能的 MOF。化学研究人员已经合成了其中的 100,000 多种，并且已经预测了数十万种其他物质的性质。
除了捕获二氧化碳和其他类型的气体外，MOF 还可以用作催化剂以及储能、药物输送和水净化。
当暴露于氨气中时，本研究中的 MOF mCBMOF-1 显示出与工业应用中广泛用于二氧化碳捕获的传统胺基吸附剂相当或更大的碳吸收能力。与胺基吸附剂相比，MOF 更稳定，并且可以使用更少的能量进行再生，通过浸入水中。
MOF 是通过去除水分子来激活的，以暴露四个紧密定位的开放铜位点，然后我引入氨气，这会导致其中一个位点被氨分子占据。其余地点吸引 CO，促进与氨相互作用形成氨基甲酸酯类。
这些发现强调 MOF 结构可以用官能团进行定制，以增强它们与特定目标分子（如二氧化碳）的相互作用;类似的策略可以应用于其他 MOF 和气体。
研究发现孔内铜-氨基甲酸复合物的形成表明与 CO存在强烈的选择性相互作用，这对于确保CO在烟道排放中优先吸附于其他气体。
该研究发表在 JACS Au 上，得到了沙特阿美和 Baydin Inc. 的支持。
什么是MOF？
在近几年的新兴材料中，金属-有机框架（MOF，Metal-Organic Frameworks）基材料，包括原始MOFs、MOF复合材料与MOF衍生物，由于在能源转换和储存应用方面相对于传统材料的优势显著，引起了广大研究人员的关注。
金属有机框架（MOF）材料在能源领域的应用
MOF基材料作为一类成熟的结晶多孔材料，有着比传统多孔材料更好的结构可调性。一方面，丰富的金属节点以及功能可调性，使MOFs能够进行精准设计以满足特定应用的需求，如催化与气体存储。另一方面， MOFs有着非常高的比表面积与孔隙体积，为作为纳米反应器以及容纳多客体物种（分子、团簇、纳米粒子[NPs]等）提供了巨大可能性。但随着对高效能源存储和转换设备的需求不断提升，具有单一功能的材料已无法满足需求。因此，通过将MOFs与各种材料（有机分子、聚合物、金属纳米粒子、石墨烯（GA）、碳纳米管（CNTs）、多金属氧簇等）结合，获得性能更优越的新一代材料—MOF复合材料。MOF复合材料可以通过协同作用，充分发挥各种原材料的优势，突破单一材料的功能限制。除了MOFs和MOF复合材料外，将MOFs转化为各种纳米复合材料也已经在能源应用领域得到广泛研究，包括碳材料、金属化合物（氧化物、硫化物、氢氧化物、碳化物和磷化物）以及单原子催化剂（SACs）/双原子催化剂。
DOI：10.1021/jacsau.4c00808
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