Cux-MOF-5材料中铜掺杂优化CO2吸附性能及再生机制研究

为解决温室气体减排难题，研究人员通过Cu2+掺杂MOF-5构建双金属框架材料Cux-MOF-5，发现当Cu2+:Zn2+=0.05:1时CO2吸附量达4.6052 mmol/g，较未掺杂材料提升31%，且经8次循环再生率仍超97%。该研究为开发高效低碳吸附剂提供新思路。

　　

全球变暖背景下，二氧化碳（CO₂）作为主要温室气体，其浓度已突破过去80万年最高纪录。传统胺吸收法存在高能耗、设备腐蚀等缺陷，而金属有机框架（MOFs）材料因其可调控的孔隙结构和表面特性成为吸附法碳捕集的研究热点。其中MOF-5作为经典三维框架材料，虽具有高比表面积但存在水稳定性差等问题。通过金属离子掺杂优化其性能成为突破方向，但如何平衡掺杂浓度与结构稳定性仍是挑战。

研究人员采用溶剂热法一步合成Cu_x-MOF-5系列材料，系统考察不同Cu²⁺掺杂比例（0≤x≤1）对材料结构及性能的影响。通过X射线衍射（XRD）证实当x≤0.25时形成[CuZn₃O]⁶⁺新结构，而x>0.25时出现Cu-BDC杂相；傅里叶变换红外光谱（FT-IR）显示468 cm^-1处Cu-O键特征峰强度随掺杂量增加而增强；氮气吸附测试表明x=0.05-0.08时材料比表面积达峰值794 m²/g。在274.15 K、1 bar条件下，最优样品Cu_0.05-MOF-5的CO₂吸附量较未掺杂MOF-5提升31%，且循环8次后再生率保持97%以上。

研究运用XRD、FT-IR、热重分析（TGA）、扫描电镜（SEM）和气体吸附仪等表征手段。关键发现包括：XRD图谱中8.7°特征峰证实[CuZn₃O]⁶⁺结构形成；SEM显示x=0.05时晶体尺寸最小（8.89-21.11 μm）；孔径分布测试表明材料以5.8974 ?和8.0419 ?微孔为主。

通过XRD表征发现，Cu²⁺掺杂引发晶格畸变，当x=0.05时材料结晶度最佳。FT-IR谱图中520 cm^-1处Zn-O峰减弱证实金属位点置换。TGA曲线显示x=0.25样品在339.83℃分解，热稳定性低于纯MOF-5（502℃）。SEM观测到x>0.25时出现层状Cu-BDC结构，且随掺杂量增加立方体MOF-5晶粒尺寸从28.33 μm降至16.44 μm。气体吸附实验证实，x=0.05样品因兼具高比表面积和Cu²⁺亲和性，其CO₂吸附性能优于文献报道值。

研究结论指出，Cu²⁺掺杂通过三重机制提升CO₂吸附：微孔结构增强物理吸附、Cu²⁺位点强化化学亲和、金属置换导致表面静电失衡产生协同效应。但过量掺杂（x>0.25）会生成Cu-BDC杂相，导致吸附性能骤降。该工作发表于《Materials Today Sustainability》，为设计兼具高容量和可再生性的碳捕集材料提供理论指导，对实现"双碳"目标具有重要应用价值。