金属有机框架SIFSIX-3-Cu的多尺度研究：金属取代与扩散机制协同增强CO2吸附性能

本研究针对化石能源燃烧导致CO2排放激增的全球性问题，通过分子动力学(MD)和计算流体力学(CFD)多尺度模拟，系统研究了SIFSIX-3-M（M=Ni/Co/Cu/Zn/Fe）系列MOFs材料的CO2吸附机制。发现SIFSIX-3-Cu凭借5.75 ?特征孔径和氟原子强电负性实现高选择性吸附，其突破曲线显示CO2/N2分离效率达工业应用标准，变温吸附(TSA)循环验证材料具备53.4 kJ/mol吸附热和2.1 mmol/g吸附量的稳定性能，为碳捕集材料设计提供新思路。

　　

随着全球气候变暖加剧，碳捕集与封存(CCS)技术成为实现碳中和目标的关键路径。其中，吸附法因其低能耗、高可控性等优势备受关注，但传统吸附材料面临选择性低、循环稳定性差等瓶颈。金属有机框架(MOFs)材料因其可调控的孔道结构和表面化学性质，被视为新一代碳捕集材料的理想候选。特别是SIFSIX系列MOFs，其独特的六氟硅酸盐骨架能通过强静电作用捕获CO₂分子，但不同金属中心对吸附性能的影响机制尚不明确。

为揭示金属取代对CO₂吸附的调控规律，研究人员开展了SIFSIX-3-M（M=Ni/Co/Cu/Zn/Fe）的多尺度研究。通过分子动力学(MD)模拟发现，Cu基材料展现出5.75 ?的特征孔径和0.82 e的金属位点电荷，其与CO₂的相互作用能达-4.8 kcal/mol。计算流体力学(CFD)模拟显示，在15/85的CO₂/N₂混合气中，材料对CO₂的吸附量达2.1 mmol/g，突破时间比N₂延迟66秒，验证了其优异的选择性。该成果发表于《Carbon Capture Science》，为设计高效碳捕集材料提供了理论依据。

研究采用三大关键技术：1) 分子动力学(MD)模拟结合Dreiding/UFF混合力场，计算原子电荷分布和径向分布函数(RDF)；2) 巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟预测CO₂吸附等温线；3) 计算流体力学(CFD)建立二维/三维吸附床模型，采用层流模型解析突破曲线。

3.1 MD计算结果
通过电荷分布分析发现，SIFSIX-3-Cu中F原子携带-0.521 e电荷，与CO₂的C原子形成强静电作用。RDF曲线显示C(Si)-CO₂在5.75 ?处出现特征峰，证实该距离为最优吸附位点。孔参数计算表明，Cu基材料具有77433 nm²的范德华表面积和15107 nm²的溶剂可及表面积，均为系列最优。

3.2 CFD计算结果
层流模型准确预测了吸附床内温度梯度的演变，模拟与实验数据的偏差<3.6%。在变温吸附(TSA)循环中，材料在483 K脱附温度下仍保持稳定，CO₂吸附量在两次循环中均为2.5 mmol/g，吸附热维持在51.8-54.9 kJ/mol区间，展现优异的热稳定性。浓度比曲线显示CO₂突破时间较N₂延迟86秒，证实其分离选择性。

这项研究首次阐明了SIFSIX-3-Cu中金属-氟协同作用增强CO₂吸附的原子机制，通过多尺度模拟实现了从分子相互作用到工程化吸附床性能的跨尺度预测。该材料53.4 kJ/mol的吸附热既保证了吸附强度，又避免了化学吸附的高能耗缺陷，其2.1 mmol/g的吸附容量较传统Mg-MOF-74提升19%。研究建立的CFD模型能准确预测工业级吸附床的CO₂捕集效率，为MOFs材料的规模化应用提供了关键技术支撑。未来通过调控金属中心与有机配体的组合，有望开发出兼具高容量、高选择性和低再生能耗的新型碳捕集材料。