定制化锆基生物MOF结构用于CO2 吸附：无粘结剂造粒与壳聚糖基挤出的对比研究

为解决工业烟气中CO2 捕获的能耗高、材料稳定性差等问题，研究人员开发了基于L-天冬氨酸的生物锆基MOF（MIP-202），通过无粘结剂压片和壳聚糖（CS）挤出成型技术制备成型吸附剂。结果表明，该材料在298 K/1 bar下保持18.7 cm3 g?1 的CO2 吸附量（达粉末99%性能），CO2 /N2 选择性比24-25，且经10次TSA循环后仍保持稳定。其绿色合成工艺（水溶剂）和低成本（36美元/kg）为工业碳捕集提供了经济高效的解决方案。

　　

全球变暖背景下，化石燃料燃烧产生的CO₂
排放已成为气候危机的核心问题。尽管胺吸收法在工业碳捕集中广泛应用，但其高能耗、溶剂降解等缺陷促使科学家寻求替代方案。金属有机框架（MOF）因其超高比表面积和可调控孔隙结构被视为理想吸附材料，但传统Zr-MOFs依赖石化配体（如UiO-66-NH₂
）和有毒溶剂DMF，违背绿色化学原则。更关键的是，粉末状MOF在实际应用中面临床层压降大、机械强度不足等挑战，亟需开发兼顾性能与成型工艺的解决方案。

针对这些痛点，研究人员通过水相合成法开发了生物基Zr-MOF（MIP-202），其以L-天冬氨酸为配体（成本仅36美元/kg），并创新性地采用无粘结剂压片和壳聚糖（CS）挤出两种成型工艺。通过XRD、FTIR、SEM、TGA和BET等表征技术，系统研究了成型压力（压片）和CS添加量（挤出）对材料结构完整性和吸附性能的影响。

材料特性
XRD显示MIP-202在8.5°、9.9°等处出现特征峰，证实其高结晶度与模拟结构一致。BET证实成型后仍保持<1 nm超微孔，压片在5 MPa时孔隙保留最佳，而CS挤出物在10 wt%浓度下孔隙率最高。TGA表明材料在300°C内稳定，满足工业温度要求。

吸附性能
压片和挤出物在298 K/1 bar下CO₂
吸附量达18.7 cm³
g^?1
，接近粉末性能的99%。低吸附热（30-40 kJ mol^?1
）利于再生，10次TSA循环后容量衰减<3%。特别值得注意的是，在模拟烟气（CO₂
/N₂
=15/85）中展现出24-25的选择性比，且湿度环境下性能稳定。

成本与可持续性
相比MOF-177（13.9万美元/kg）等材料，MIP-202的L-天冬氨酸配体成本降低三个数量级。水相合成工艺完全避免DMF使用，CS作为生物可降解粘结剂进一步强化环保属性。

该研究突破性地将生物相容性、低成本与工业化成型需求相结合。MIP-202成型材料不仅解决了粉末MOF的工程化应用瓶颈，其绿色制造路径更为碳捕集技术的规模化推广提供了范式。未来研究可进一步探索其在直接空气捕获（DAC）或沼气提纯等场景的适用性。论文发表于《International Journal of Biological Macromolecules》，为MOF材料的可持续发展树立了新标杆。