铜/铬-腺嘌呤超分子组装多孔金属有机材料用于水中CO2 捕获的创新研究

本研究针对全球气候变暖背景下CO2 捕获技术瓶颈，开发了新型CrCu6 (μ-腺嘌呤)6 1.5 （Cu6 Cr）超分子金属有机材料（SMOF），首次实现水中CO2 高效捕获（22.3%质量增量），创新性结合磁悬浮与重量法技术揭示HCO3 - /腺嘌呤对捕获机制，其-19.4 kJ/mol低吸附焓显著优于传统胺类吸附剂，为开发水介质CO2 捕获技术提供新范式。

　　

随着全球气候变暖加剧，大气CO₂
浓度升高已成为严峻的环境挑战。传统CO₂
捕获技术主要针对气体相处理，但工业排放源常伴随高湿度环境，且现有胺类吸附剂存在能耗高（ΔH_ads
达-80至-100 kJ/mol）、循环稳定性差等问题。更棘手的是，水中CO₂
捕获研究几乎空白，因水分子会竞争吸附位点，而液态介质中传统气固吸附测量技术难以适用。

在此背景下，研究人员开发了一种突破性解决方案——利用铜/铬-腺嘌呤超分子组装多孔材料（CrCu₆
(μ-adeninato-κN3:κN9)₆
(μ-OH)₆
(μ-OH₂
)_6
1.5
，简称Cu₆
Cr），首次实现水中高效CO₂
捕获。这项发表在《Journal of CO2 Utilization》的研究，通过创新性结合磁悬浮技术与重量法，不仅证实了材料每分子可捕获5.9个HCO₃
^-
（接近6个腺嘌呤配体的理论值），更揭示了其-19.4 kJ/mol的低吸附焓优势，为开发新一代节能型碳捕集技术开辟道路。

研究团队采用三大关键技术：1）磁悬浮技术——通过测量水悬浮液中顺磁性Cu₆
Cr颗粒的磁场响应，定量吸附物质质量变化；2）重量法——监测CO₂
饱和水体系总质量增量；3）变温吸附动力学实验——结合Langmuir模型和Arrhenius方程计算活化能。所有实验均在20°C、CO₂
流速300 mL/min条件下进行，并通过FTIR验证HCO₃
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特征峰（1575和1325 cm^-1
）。

【CO₂
捕获】
研究发现Cu₆
Cr在水中展现惊人捕获能力：1小时吸附后磁悬浮法测得22.3%质量增加，重量法则为17.1%。这种差异源于CO₂
以H₂
CO₃
形式与腺嘌呤配体反应生成HCO₃
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/腺嘌呤对。关键突破在于配体pK_a
（7.2-7.4）与H₂
CO₃
的pK_a1
（6.35）接近，既保证反应驱动力，又避免产物过度稳定。

【CO₂
释放】
温度依赖实验显示：40°C时水中解吸需2小时，而直接暴露空气中仅10分钟即可完成。FTIR证实HCO₃
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特征峰在20分钟内消失。动力学分析获得E_a(ads)
=21.8 kJ/mol和E_a(des)
=41.2 kJ/mol，计算得出ΔH_ads
=-19.4 kJ/mol，显著低于胺类吸附剂（-31.5至-100 kJ/mol）。

【循环稳定性】
4次吸附/解吸循环显示：在0.1M NaHCO₃
溶液中材料保留50%初始容量，而纯水中性能急剧衰减。PXRD证实酸性环境导致结构坍塌，提示需优化介质条件提升稳定性。

这项研究具有三重里程碑意义：首先，创立了水中CO₂
捕获的新材料体系，突破传统气固吸附局限；其次，开发磁悬浮-重量法联用技术，解决液态吸附定量难题；最后，通过精准调控配体pK_a
值，实现"适度化学吸附"设计理念，为开发低能耗碳捕集材料提供新思路。未来通过优化反离子碱性位点，有望进一步提升捕获容量，推动该技术走向实际应用。