基于静电势匹配策略的阴离子功能化MOF材料实现高温高湿烟气中CO2高效捕获

为解决高温高湿烟气中CO2捕获难题，河北大学团队设计了一种新型阴离子柱撑MOF材料HBU-24。通过TiF62?与CO2的静电势匹配策略，该材料在323K条件下仍保持59.8cm3/g的CO2吸附量，CO2/N2选择性高达1662.2，突破性实验验证了其在复杂工况下的应用潜力。

　　

全球气候变化正引发生态系统失衡、极端天气加剧等连锁反应，其中CO₂作为主要温室气体，其排放控制成为当务之急。尽管新型能源有所发展，但化石燃料仍是主要碳排放源，这使得CO₂捕获与封存技术（CCS）成为研究热点。传统吸附材料如Mg-MOF-74虽具有高吸附容量，却难以耐受高温高湿的工业烟气环境。阴离子柱撑MOF（APMOFs）虽在气体分离领域崭露头角，但普遍存在热稳定性差、选择性不足等瓶颈。

河北大学的研究团队独辟蹊径，采用静电势匹配策略设计出新型APMOF材料HBU-24。通过将四齿配体1,1,2,2-四(4-吡啶基)乙烯（L）与Cd²⁺、TiF₆^2?自组装，构建了具有769.9m²/g比表面积的双孔道结构（5.2?和8.6?）。该成果发表于《Separation and Purification Technology》，为解决工业烟气处理难题提供了创新方案。

研究采用扩散法合成晶体，通过X射线单晶衍射解析结构，结合BET测试表征孔隙特性。GCMC模拟和DFT计算揭示吸附机制，动态穿透实验模拟实际工况。关键突破在于发现TiF₆^2?中氟原子与CO₂碳原子的静电势匹配效应，这种"锁钥"作用使材料在298K下对CO₂吸附量达80.2cm³/g，远超CH₄（16.0cm³/g）和N₂（3.0cm³/g）。

【合成与表征】
通过分层扩散法获得无色晶体，单晶解析显示其为正交晶系Pmmm空间群。Cd²⁺呈现八面体配位几何，与四个L配体和两个TiF₆^2?形成六连接网络，L配体作为四连接节点构建三维框架。

【气体吸附性能】
在1bar/298K条件下，CO₂吸附等温线呈典型I型特征，表明微孔填充机制。值得注意的是，323K高温下吸附量仍保持59.8cm³/g，证明其耐热性。IAST计算显示CO₂/N₂（15:85）选择性达1662.2，创APMOFs材料新高。

【机理研究】
DFT计算表明，TiF₆^2?中氟原子的负静电势区域（-28.3kcal/mol）与CO₂碳原子的正静电势（+27.5kcal/mol）形成强相互作用，吸附能达-5.12eV。这种定向作用使材料对C₂H₄/C₂H₂也展现分离潜力。

【动态突破实验】
在50%湿度、323K条件下，CO₂穿透时间比N₂延长3倍，实际验证了材料在模拟烟气中的分离效能。

该研究通过精准的静电势工程设计，突破了APMOFs材料在复杂环境中的应用限制。HBU-24展现的"高温不衰减、高湿不失效"特性，为工业烟气处理提供了新思路。其创新性体现在：（1）首次将静电势匹配策略应用于烟气处理MOF设计；（2）创纪录的CO₂/N₂选择性；（3）明确揭示了阴离子-气体相互作用机制。这项工作不仅推动了功能化MOF材料的发展，更为实现"双碳"目标提供了关键技术支撑。