机械化学后合成配体交换法简易功能化ZIF-8提升CO2捕获性能的研究

针对ZIF-8材料因缺乏极性基团导致CO2吸附性能不足的问题，研究人员通过机械化学辅助配体交换（MALE）技术，在15分钟内实现高达63%的配体交换率，成功引入4-位醛基等功能化咪唑配体，显著提升CO2吸附容量（1.33 mmol/g）。该研究为快速构建高亲和力金属有机框架（MOFs）材料提供了新策略。

　　

随着全球碳减排需求日益紧迫，开发高效CO₂捕获材料成为研究热点。金属有机框架（MOFs）及其亚类沸石咪唑酯骨架（ZIFs）因其可调控的孔隙结构和表面化学性质备受关注。其中，具有方钠石（SOD）拓扑结构的ZIF-8虽具备优异的水热稳定性和商业可得性，但由于其2-甲基咪唑配体缺乏极性基团，导致CO₂吸附容量远低于其他功能化ZIFs。传统溶剂辅助配体交换（SALE）方法虽能引入功能基团，但需使用DMF溶剂且耗时长达数天，制约了材料开发效率。

为突破这一瓶颈，研究人员创新性地采用机械化学辅助配体交换（MALE）技术，通过球磨法在15分钟内实现ZIF-8与2-咪唑甲醛（HICA）的快速配体交换，效率较传统手工研磨提升32倍。通过系统优化球磨频率（10-30 Hz）、配体比例等参数，发现20 Hz条件下可获得63%的交换率，同时保持材料结晶度。进一步将方法拓展至4-位醛基（4HICA）、羟基（HMI）等功能化配体时，发现4-位取代的醛基配体可诱导CO₂吸附等温线从线性转变为Langmuir型，证实功能基团在咪唑环上的位置对吸附性能具有决定性影响。

研究采用粉末X射线衍射（PXRD）监测晶体结构变化，氮气吸附测定比表面积（S_BET最高达1017 m²/g），并通过酸消化¹H NMR定量配体交换率。关键发现包括：1）20 Hz球磨15分钟制备的HICA-20C样品CO₂吸附量达1.25 mmol/g，较未功能化样品提升145%；2）4-甲基-5-咪唑甲醛（4MICA）修饰的样品虽因部分结构坍塌导致S_BET降低至385 m²/g，但仍展现0.77 mmol/g的吸附量；3）液体辅助研磨（LAG）可缓解框架降解，使LAG-4MICA-20样品的吸附量进一步提升至1.08 mmol/g。

该研究的重要意义在于：首先，建立了ZIF-8快速功能化的普适性方法，将传统数天的工艺缩短至分钟级；其次，揭示了咪唑环4-位极性基团对增强CO₂亲和力的关键作用，为定向设计高吸附性能材料提供理论依据；最后，通过机械化学绿色工艺减少有机溶剂使用，符合可持续发展理念。研究结果发表于《Green Carbon》，为碳捕集材料的工业化开发提供了新思路。