综述：金属有机框架（MOFs）在碳捕获和催化转化应用中的进展

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Advances in the Application of Metal–Organic Frameworks(MOFs)for Carbon Capture and Catalytic Conversion

碳捕获与利用技术中金属有机框架（MOFs）及其衍生物的吸附与催化转化机制研究。摘要：MOFs凭借可调控的孔道结构和高比表面积，在CO?吸附及催化转化中展现潜力。通过结构调优、金属节点工程和复合改性策略，MOFs及衍生材料（如多孔碳、金属氧化物）在吸附容量、选择性及催化效率上显著提升。研究系统分析MOFs在化学吸收（吸附剂与脱附催化剂）、光催化及电催化CO?还原中的应用，并指出稳定性、再生能耗及规模化生产等关键挑战，强调需结合工业需求优化材料设计。

　　在全球范围内，由于对化石燃料的依赖，二氧化碳（CO?）排放量持续上升，已成为气候变化的主要驱动因素之一。面对这一挑战，碳捕集与利用（CCU）技术逐渐成为缓解温室效应、减少碳排放的重要手段。CCU技术不仅能够有效捕集CO?，还能将其转化为具有高附加值的工业产品，从而实现环境与经济的双重效益。近年来，金属有机框架（MOFs）因其独特的结构和物理化学性质，在CCU领域展现出巨大的应用潜力。本文将从MOFs及其衍生物在碳捕集与利用中的作用出发，系统分析其设计策略、性能调控以及在不同应用场景中的表现。

### MOFs的结构特性与应用潜力

MOFs是一类由金属离子或簇与有机配体通过配位键自组装形成的晶体多孔材料。自20世纪初Werner提出配位化学理论以来，MOFs的研究不断深入，其种类和数量迅速增长。截至2023年，已有超过90,000种MOF结构被记录在剑桥MOF数据库中。这些材料具有高度可调的孔径和结构，以及极高的比表面积，使其在气体储存、分离、催化反应和传感等领域表现出色。在碳捕集方面，MOFs的多孔结构能够提供丰富的吸附位点，使得CO?分子能够在材料表面或孔隙中被高效捕集。此外，MOFs的化学功能化和金属节点工程等策略，也为提升其吸附能力提供了新的思路。

### CO?吸附与MOFs的应用

CO?吸附是目前较为成熟且广泛研究的碳捕集技术之一。其优势在于成本低廉、热稳定性良好、化学稳定性强，以及对CO?具有较强的吸附选择性。传统的吸附材料，如碳基材料、沸石和金属氧化物，主要依赖于其高比表面积和发达的孔道结构来实现对CO?的有效吸附。然而，这些材料在吸附容量和选择性方面存在一定的局限性。相比之下，MOFs由于其可调控的孔径和结构，能够更精确地匹配CO?分子的尺寸和化学特性，从而显著提高吸附效率。例如，通过调整金属节点的种类和配体的长度，可以优化MOFs的孔径分布，使其更适合特定气体的吸附。此外，MOFs的表面化学性质也可以通过功能化修饰进行调控，以增强其对CO?的吸附能力。

### 化学吸收与MOFs的催化作用

除了吸附技术，化学吸收也是当前工业中广泛应用的碳捕集方法。这种方法通常使用胺类溶剂，如单乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和甲基二乙醇胺（MDEA）等，通过与CO?发生化学反应来实现捕集。化学吸收的优点在于其高捕集容量和快速反应动力学，能够适应大规模气体处理的需求。然而，其最大的缺点是溶剂再生过程能耗过高，约占整个系统总能耗的65%。因此，如何降低化学吸收过程的能耗成为研究的重点之一。

在此背景下，MOFs及其衍生物在化学吸收中的应用逐渐受到关注。MOFs可以通过催化作用加速CO?在胺溶液中的吸收和释放过程。例如，MOFs可以作为催化剂，促进CO?与胺类溶剂之间的化学反应，从而降低再生所需的能量。此外，MOFs的高比表面积和丰富的活性位点使其在化学吸收过程中表现出优异的性能。研究人员通过调控MOFs的结构和组成，开发了多种新型催化剂，以提高其在化学吸收中的效率和稳定性。

### CO?的催化转化与MOFs的应用

在碳利用方面，MOFs的应用主要集中在催化转化领域。CO?分子本身具有较高的化学稳定性，因此需要借助先进的催化技术来降低其反应能垒，使其能够转化为有价值的化学品或燃料。目前，光催化和电催化是两种备受关注的转化方法。光催化利用光能驱动CO?的化学反应，通常需要高效的光催化剂和合适的反应条件。MOFs由于其可调的光学性质和丰富的金属节点，被认为是光催化CO?转化的理想材料之一。例如，通过引入具有光响应能力的金属节点，可以提高MOFs的光吸收效率，从而增强其催化性能。

电催化则利用电能作为驱动力，将CO?转化为可再生能源或高附加值化学品。MOFs的高导电性和可调的电子结构使其在电催化领域具有独特的优势。通过调控MOFs的金属节点和配体，可以优化其电子传输性能，提高催化反应的效率。此外，MOFs的多孔结构也为电催化反应提供了良好的反应环境，使得反应物能够更有效地扩散到活性位点。

### MOF衍生材料的开发与应用

为了进一步提升MOFs在碳捕集和利用中的性能，研究人员开发了多种MOF衍生材料。这些材料通常通过热解或化学处理等方法，将MOFs转化为具有更高稳定性和可扩展性的纳米材料。例如，通过热解MOFs可以得到具有高比表面积的多孔碳材料，这些材料在CO?吸附和储存方面表现出优异的性能。同时，MOFs的热解产物还包括金属氧化物，这些材料在催化反应中也具有良好的应用前景。

MOF衍生材料的开发不仅关注其性能提升，还强调其在实际工业应用中的可行性。例如，多孔碳材料具有良好的机械强度和热稳定性，能够适应各种工业环境。而金属氧化物则具有较高的催化活性，可以用于CO?的还原反应。此外，MOF衍生材料的制备工艺也在不断优化，以实现大规模生产和低成本应用。这些努力使得MOFs在碳捕集和利用中的应用更加广泛和实际。

### 碳捕集与利用的挑战与前景

尽管MOFs在碳捕集和利用方面展现出巨大的潜力，但在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，MOFs的稳定性问题亟待解决。在高温或高湿环境下，MOFs可能会发生结构坍塌或分解，影响其长期使用性能。其次，MOFs的可回收性也是一个关键问题。由于MOFs在使用过程中可能会发生化学变化或结构损伤，如何实现其高效回收和再利用成为研究的重要方向。此外，MOFs的规模化生产仍存在一定的技术障碍，如何降低其制备成本并提高生产效率，是推动其工业应用的关键。

针对这些挑战，未来的研究应重点关注以下几个方面：一是通过材料设计和结构优化，提高MOFs的稳定性和可回收性；二是开发高效的MOF衍生材料，以实现更广泛的工业应用；三是探索新的合成方法，以降低MOFs的生产成本并提高其可扩展性。这些研究方向不仅有助于提升MOFs在碳捕集和利用中的性能，还将推动其在实际工业中的应用，为实现碳中和目标提供强有力的技术支持。

### 结论与展望

综上所述，MOFs及其衍生材料在碳捕集与利用（CCU）技术中具有广阔的应用前景。通过结构调控、金属节点优化、化学功能化和复合材料制备等策略，MOFs能够显著提升其在CO?吸附和催化转化中的性能。然而，为了实现MOFs的广泛应用，仍需克服其在实际应用中的稳定性、可回收性和可扩展性等问题。未来的研究应进一步探索MOFs的性能优化路径，推动其在工业领域的实际应用，从而为全球碳中和目标的实现做出贡献。