螺二芴共聚物嵌入菲咯啉与吩噻嗪结构：选择性CO2 吸附与氢存储材料的创新设计

【编辑推荐】为应对温室气体减排与清洁能源存储的迫切需求，研究人员通过微波辅助Friedel-Crafts烷基化反应，开发了两种新型多孔有机聚合物（POPs）OTC-PN和OTC-PZ。该材料以9,9-螺二芴为刚性连接体，分别嵌入菲咯啉（氮源）和吩噻嗪（氮硫源），展现出优异的CO2 选择性吸附（IAST选择性达97.1）和氢存储性能（5.1 mmol/g），为工业碳捕集与清洁能源技术提供了高效解决方案。

　　

全球大气CO₂
浓度在2023年突破425 ppm，化石燃料燃烧贡献了其中89%的排放量。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）警告，必须将温升控制在1.5°C以内，这要求2030年前减排45%。然而，钢铁、水泥等高排放行业难以快速脱碳，碳捕集与封存（CCS）技术成为关键过渡方案。与此同时，氢能作为零排放能源载体，其高效存储亦是清洁能源体系的瓶颈。传统吸附材料如金属有机框架（MOFs）和沸石面临湿度敏感、成本高昂等挑战，而多孔有机聚合物（POPs）因其可调控的孔隙结构和化学稳定性成为新兴解决方案。

在此背景下，沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿产大学的研究团队设计出两种新型POPs——OTC-PN和OTC-PZ。前者以1,10-菲咯啉为单体，后者采用吩噻嗪，均通过微波辅助Friedel-Crafts烷基化与9,9-螺二芴（SBF）交联。SBF的刚性螺环结构赋予材料高热稳定性（分解温度>400°C），而氮/硫杂环则通过路易斯酸碱作用增强CO₂
亲和力。研究采用固体¹³
C NMR、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和粉末X射线衍射（PXRD）验证结构，通过77 K氮吸附测定BET比表面积（OTC-PN达1001 m²
/g），并利用非局部密度泛函理论（NLDFT）分析孔径分布（<2 nm）。

关键实验技术
研究团队通过微波辅助Friedel-Crafts反应快速合成聚合物，采用热重分析（TGA）评估热稳定性，气体吸附仪测定CO₂
（273 K/298 K）和H₂
（77 K）吸附等温线，基于IAST理论计算CO₂
/N₂
选择性，并通过Clausius-Clapeyron方程推导等量吸附热（Qst）。

研究结果
材料表征：TGA显示材料在400°C以下稳定，PXRD证实其非晶态特征。OTC-PN的微孔特性显著，BET比表面积是OTC-PZ（134 m²
/g）的7.5倍。

气体吸附性能：在273 K时，OTC-PN的CO₂
吸附量达2.40 mmol/g，Qst为37 kJ/mol，符合物理吸附机制。尽管OTC-PZ比表面积较低，但其含硫结构使Qst升至43 kJ/mol，IAST选择性在15:85的CO₂
/N₂
混合气中高达97.1（273 K）。H₂
吸附测试中，OTC-PN在77 K下表现出5.1 mmol/g的容量。

结论与意义
该研究通过分子设计将刚性骨架与杂原子活性位点结合，创造了兼具高选择性和稳定性的POPs。OTC-PN的高比表面积使其成为氢存储候选材料，而OTC-PZ的硫原子协同作用为开发抗湿性CO₂
吸附剂提供了新思路。论文发表于《Sustainable Chemistry and Pharmacy》，为工业废气处理和氢能基础设施提供了材料基础，尤其适用于中东地区兼具化石能源转型与氢经济发展的战略需求。