木质素调控MOF@木质纤维素气凝胶的构建及其高效选择性CO2 吸附性能研究

针对金属有机框架（MOFs）机械性能差、回收困难等问题，研究人员通过木质素调控策略，将MOFs原位生长于木质纤维素气凝胶基底，构建了MOF@CNFs/DESL30 G复合材料。该材料比表面积达379.43 m2 /g，CO2 吸附容量提升102.83%，选择性吸附系数（CO2 /CH4 ）达7.5，循环6次仍保持70%吸附性能，为碳捕获系统提供了可持续解决方案。

　　

研究背景与意义

金属有机框架（MOFs）因其可调控的微孔结构和超高比表面积，成为二氧化碳（CO₂
）吸附领域的明星材料。其中，ZIF-8（沸石咪唑酯骨架材料）凭借11.6 ?的笼状结构和3.4 ?的孔径，展现出优异的CO₂
捕获能力。然而，MOFs粉末的机械强度差、难以自支撑、回收困难等问题，严重限制了其实际应用。如何通过材料复合策略突破这些瓶颈，成为当前研究的关键挑战。

与此同时，木质纤维素作为地球上最丰富的可再生资源，其衍生物如纤维素纳米纤维（CNFs）气凝胶具有三维互联网络和高比表面积，被认为是MOFs的理想载体。但纯纤维素气凝胶存在功能基团暴露不足、MOFs分散不均等问题。而木质素作为植物细胞壁的天然粘合剂，富含酚羟基、甲氧基等活性基团，可能成为增强MOFs负载的“分子胶水”。然而，不同木质素类型对MOFs形貌调控的作用机制尚不明确。

关键技术方法

苏州科技大学等机构的研究人员采用双溶剂气相扩散法，将TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基）氧化的CNFs与三种木质素（碱木质素AL、木质素磺酸LS、深共熔溶剂提取木质素DESL）复合，通过Zn²⁺
与2-氨基苯并咪唑的原位配位，构建MOF@木质纤维素气凝胶。通过低温氮吸附、X射线衍射等技术表征材料性能，并采用温度摆动吸附实验评估CO₂
/CH₄
选择性。

研究结果

木质素调控MOF@CNFs/AL_n

G制备
研究发现，木质素的酚羟基可作为Zn²⁺
的螯合位点，促进金属有机框架前驱体的均匀分布。其中，低分子量（5457 Da）的DESL因羟基密度高，显著优化了MOFs的十二面体晶体形貌，而高分子量（9985 Da）的LS则易导致MOFs聚集。

材料性能突破

添加30 wt% DESL的MOF@CNFs/DESL₃₀
G气凝胶比表面积达379.43 m²
/g，较无木质素样品提升102.83%。CO₂
吸附容量达1.82 mmol/g，CO₂
/CH₄
选择性系数7.5，循环6次后仍保持70%吸附性能。木质素的引入不仅增强了MOFs与基质的氢键相互作用，还通过占据纤维素部分氢键位点，创造了更多MOFs生长空间。

结论与展望

该研究开创性地利用DESL调控MOFs原位生长，解决了传统MOFs材料机械性能差、回收难的痛点。通过木质素-纤维素协同作用构建的三维多孔结构，实现了CO₂
吸附性能的突破性提升，为生物质基碳捕获材料设计提供了新范式。未来可进一步探索不同金属节点（如Cu、Co）与木质素复合体系的构效关系，推动其在工业烟气处理中的应用。论文发表于《Carbohydrate Polymers》，彰显了生物质高值化利用在环境领域的巨大潜力。