镁基金属有机框架材料Mg-MOF-74的合成表征及其在燃煤电厂CO2捕集中的应用研究

本研究针对燃煤电厂尾气CO2捕集难题，系统探究了镁基金属有机框架材料Mg-MOF-74在不同合成温度(100-125°C)和时间(8-24h)下的结构特性。通过XRD、BET、TGA等表征技术证实，优化合成的材料具有612 m2/g的Langmuir比表面积和600°C热稳定性，CO2吸附量达31 cm3/g，为工业碳捕集提供了新型吸附剂解决方案。

　　

随着全球温室气体排放持续加剧，燃煤电厂排放的CO₂已成为气候变化的元凶之一。据世界气象组织数据显示，人为CO₂排放对气候变暖的贡献率高达64%，而传统碳捕集技术如胺吸收法存在能耗高、腐蚀性强等缺陷。在这一背景下，具有可调控孔道结构和超高比表面积的金属有机框架材料(MOFs)崭露头角，其中镁基Mg-MOF-74因其独特的Mg-O开放金属位点，展现出对CO₂分子的特殊亲和力。然而现有研究对合成条件如何影响材料性能缺乏系统认知，这严重制约了其在工业场景中的应用。

针对这一科学难题，南非Tshwane University of Technology的研究团队在《South African Journal of Chemical Engineering》发表了创新性研究。通过水热法在不同温度(100-125°C)和时间(8-24h)下合成Mg-MOF-74，采用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，氮气吸附(BET)测定比表面积，热重分析(TGA)评估热稳定性，并结合扫描电镜-能谱(SEM-EDX)观察形貌特征。特别通过低压CO₂吸附实验(LPGA)模拟实际捕集条件，系统揭示了合成参数与材料性能的构效关系。

3.1 织构与热学性质
BET结果显示最佳合成条件(110°C/8h)下材料具有612 m²/g的Langmuir比表面积和10.13 nm介孔结构。TGA曲线显示材料在600°C内保持稳定，优于文献报道的400°C阈值，这归因于优化的合成条件减少了结构缺陷。

3.2 CO₂吸附性能
低压吸附实验表明125°C合成的样品CO₂吸附量最高(31 cm³/g)，但残留的DMF溶剂分子导致吸附量仅为文献值的1/6。研究人员建议后续采用惰性气体热活化去除溶剂分子，以充分暴露Mg²⁺活性位点。

3.3 晶体结构与表面化学
XRD图谱显示100°C/24h样品结晶度最佳，而125°C时出现非晶化转变。FTIR检测到1564 cm^-1处C=O特征峰和754 cm^-1处Mg-O键振动，这些活性基团是CO₂化学吸附的关键位点。

3.4 形貌特征
SEM观察到温度升高导致形貌从规则多面体(100°C)向"云朵状"聚集体(125°C)演变。EDX证实材料仅含Mg、O元素，排除了合成过程中的杂质污染。

这项研究首次建立了Mg-MOF-74合成参数-结构-性能的定量关系，为工业碳捕集材料设计提供了理论依据。特别值得注意的是，相比传统沸石材料，Mg-MOF-74在保持高热稳定性(600°C)的同时，其可调的介孔结构更适应燃煤烟气复杂组分。研究人员估算，将该材料应用于660MW电厂碳捕集系统，每吨CO₂处理成本可降至73美元，这对南非等依赖煤电的国家实现"公正能源转型"具有重要实践意义。未来研究可探索PET塑料瓶回收制备有机配体等绿色合成路线，进一步降低材料生产成本和环境足迹。