金属有机骨架材料Co-BTC对SF6/N2混合气体中SF6及其分解产物的高效吸附分离机制研究

为解决SF6温室气体排放控制难题，研究人员通过金属有机框架材料Co-BTC，结合巨正则蒙特卡洛(GCMC)和密度泛函理论(DFT)方法，系统研究了SF6/N2混合体系中SF6及其分解产物的吸附特性。结果表明Co-BTC对SF6具有强选择性，对H2S的吸附量达22.29 mmol/g，对SO2F2和SOF2的吸附能力是工业吸附剂的10-20倍，为开发新型高效吸附材料提供了理论依据。

　　

在全球气候变暖的严峻形势下，六氟化硫(SF₆)作为电力工业中广泛使用的绝缘介质，其温室效应相当于CO₂的23,900倍，年排放量持续以10%的速度增长。尽管采用SF₆/N₂混合气体能减少SF₆使用量，但设备故障时产生的复杂分解产物（如SO₂F₂、H₂S等）仍对环境和人体健康构成威胁。传统吸附材料如沸石和活性炭因孔道结构无序、分离效率低下，难以满足实际需求。

针对这一技术瓶颈，中国国家自然科学基金资助项目的研究团队创新性地采用金属有机骨架材料Co-BTC（钴-均苯三甲酸框架），通过理论模拟与计算化学方法揭示了其对SF₆及其分解产物的吸附机制。研究论文发表在《Computational and Theoretical Chemistry》期刊，为开发高性能吸附材料提供了重要理论支撑。

研究团队主要运用三种关键技术：巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟计算不同温压条件下的吸附等温线；密度泛函理论(DFT)分析吸附构型与电子转移；剑桥晶体学数据库(CCDC)结构优化确定Co-BTC的纳米孔道特征。

吸附等温线
通过GCMC模拟发现，Co-BTC在298K时对H₂S的吸附量高达22.29 mmol/g，对SO₂F₂和SOF₂的吸附能力分别是工业吸附剂活性氧化铝的20倍和10倍。温度升至698K时所有气体吸附量均低于6 mmol/g，证实高温导致解吸主导。

吸附位点分析
DFT计算显示Co²⁺位点对SF₃、SOF₄等中间体具有特异性吸附作用，电荷转移达0.15-0.35 e，吸附能介于-25至-45 kJ/mol。电子态密度(DOS)图谱证实气体分子与Co²⁺的轨道杂化是吸附驱动力。

结论与意义
该研究首次系统阐明了Co-BTC材料的三重优势：规则纳米孔道（中心孔体积18,200 ?³）实现高通量吸附；Co²⁺活性位点保障选择性；温和条件下即可达到工业吸附剂10倍以上的容量。研究成果不仅为SF₆减排提供了新材料设计思路，其建立的GCMC-DFT联合分析方法对其它温室气体吸附研究也具有范式意义。作者团队特别指出，后续研究将聚焦于Co-BTC在实际混合气体中的竞争吸附机制优化，推动其工业应用进程。