ZIF-8/Mg-MOF-74复合材料的可控制备及其高效CO2 捕获性能研究

为解决工业废气及大气中CO2 捕获效率低的问题，研究人员通过后修饰法合成ZIF-8/Mg-MOF-74复合材料，构建了兼具分子筛分和开放金属位点(OMS)的层级结构。优化后的复合材料在模拟烟道气(12% CO2 )中吸附量达4.09 mmol/g，在环境空气(400 ppm)中为0.066 mmol/g，其协同吸附机制为碳中和技术提供了新策略。

　　

随着全球CO₂
浓度突破419.3 ppm的历史峰值，开发高效碳捕获材料成为当务之急。传统吸附剂如沸石和活性炭面临选择性差、湿度敏感等瓶颈，而金属有机框架(MOF)因其可调孔隙和超高比表面积崭露头角。其中，沸石咪唑酯骨架ZIF-8具有优异稳定性但CO₂
亲和力不足，而含镁的Mg-MOF-74虽具备强CO₂
结合位点却易结构坍塌。如何整合两者优势，成为突破材料性能边界的关键科学问题。

日本某研究团队在《Resources Chemicals and Materials》发表的研究中，创新性地采用后修饰法将Mg-MOF-74生长在ZIF-8表面，构建了核壳结构复合材料。通过调控Mg²⁺
/H₄
dhtp配比（1:1至6:1），系统研究了材料结构与性能的关系。研究采用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，氮气吸附测定比表面积，扫描电镜(SEM)观察形貌，热重分析(STA)评估稳定性，并通过固定床反应器测试不同CO₂
浓度下的吸附性能。

3.1 复合吸附剂制备
通过溶剂热法使Mg²⁺
与H₄
dhtp在ZIF-8表面配位，SEM显示ZIF-8保持0.992 μm的菱形十二面体形貌，而Mg-MOF-74呈花椰菜状针晶聚集。当Mg²⁺
/H₄
dhtp为1:1时形成均匀核壳结构，但比例增至6:1会导致ZIF-8骨架坍塌。元素映射证实Zn、Mg、O等元素均匀分布，ICP显示Mg含量随配比增加而升高。

3.2 晶体与化学结构
XRD证明复合材料同时保留ZIF-8（7.3°特征峰）和Mg-MOF-74（6.7°特征峰）的衍射信号。红外光谱(FT-IR)中1560 cm^-1
（Mg-MOF-74羧酸根振动）与1145 cm^-1
（ZIF-8咪唑环振动）共存，表明两组分化学结构完整。

3.3 热稳定性
热重分析显示ZIF-8在596°C开始分解，Mg-MOF-74在460°C失稳，而1:1复合材料将热稳定性提高至600°C以上。微分热重(DTG)曲线证实1:1配比样品具有最优热阻，归因于ZIF-8核的骨架保护作用。

3.4 表面与孔结构
氮气吸附显示ZIF-8/Mg-MOF-74(1:1)具有823.61 m²
/g的比表面积和0.76 cm³
/g的孔体积，其微孔（0.9 nm）来自ZIF-8，介孔（1.5 nm）源于Mg-MOF-74。BJH分布曲线揭示层级孔道结构是性能提升的关键。

3.5 CO₂
吸附性能
在模拟烟道气中，1:1复合材料吸附量(4.09 mmol/g)显著高于纯ZIF-8(3.29 mmol/g)和Mg-MOF-74(2.60 mmol/g)，归因于OMS与CO₂
形成的Mg²⁺
···O=C=O配位键。环境空气测试中，其0.066 mmol/g的容量仍保持领先，但湿度竞争导致普遍性能下降。

3.6 吸附剂再生测试
经过5次热脱附循环（100°C），1:1复合材料保持83%初始容量，XRD证实其晶体结构未受损。对比文献数据，该材料在12% CO₂
下的性能优于多数报道的MOF（如ZIF-8@Zn-MOF-74的3.27 mmol/g）。

该研究通过精准调控核壳结构，成功整合了ZIF-8的分子筛分能力和Mg-MOF-74的强吸附位点。1:1配比复合材料展现出最佳的CO₂
捕获效率与循环稳定性，其设计策略为开发新一代碳捕获材料提供了范式。特别是在烟道气处理场景中，材料在中等CO₂
浓度下的优异表现，弥补了传统吸附剂在工业应用中的技术缺口。未来研究可进一步探索材料在真实复杂气体环境中的长期稳定性，以及规模化生产的工艺优化。