柔性金属有机框架薄膜在低压二氧化碳捕获与释放中的可逆性研究

本研究针对当前碳捕获与存储(CCS)技术中存在的能耗高、腐蚀性强等问题，开发了基于Zn2L2DABCO柔性金属有机框架(MOF)薄膜的低压CO2捕获系统。通过GIWAXS、FT-IR和QCM-D等技术证实，功能化配体修饰的MOF薄膜在近环境条件下表现出优异的CO2可逆吸附性能（0.17-0.40 mmol/g），并首次实现了光控CO2释放。该研究为开发绿色CCS技术提供了新思路。

　　

随着全球85%的能源生产仍依赖化石燃料，二氧化碳(CO₂)排放导致的温室效应日益严峻。传统碳捕获与存储(CCS)技术如胺洗涤法存在设备腐蚀、再生能耗高等问题，而沸石等吸附剂又面临CO₂低压吸附效率低的挑战。金属有机框架(MOF)材料因其可调控的孔隙结构和化学环境被视为理想解决方案，但将其从实验室规模推向实际应用仍面临两大瓶颈：一是低压条件下CO₂吸附性能评估困难，二是薄膜组装体的结构稳定性控制。

来自奥地利格拉茨技术大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究，他们设计了一系列功能化Zn₂L₂DABCO异质外延MOF薄膜，通过多尺度表征技术揭示了其在低压CO₂捕获与释放中的独特性能。研究发现甲基和甲氧基功能化使CO₂吸附量提升3倍，并首次实现了光响应性调控，为开发新一代绿色CCS技术提供了重要理论基础和实践指导。

研究团队采用三项关键技术：1)异质外延生长法制备取向MOF薄膜；2)同步辐射掠入射广角X射线散射(GIWAXS)实时监测结构变化；3)石英晶体微天平(QCM-D)定量吸附动力学。通过设计甲基(Me-BDC)、甲氧基(MeO-BDC)等不同功能化配体，系统研究了配体修饰对薄膜结构和性能的影响。

生长MOF薄膜系统

研究发现甲基和甲氧基功能化Zn₂L₂DABCO薄膜保持异质外延生长，晶格常数随取代基增大而增加。SEM显示Zn₂MeO-BDC₂DABCO晶体尺寸达4μm，取向度达80%。而氨基功能化结构因空间位阻无法形成三维框架，证实配体设计对薄膜生长的关键作用。

低压CO₂吸附

QCM-D测量显示功能化薄膜CO₂吸附量显著提高，Zn₂MeO-BDC₂DABCO达0.54μg/cm²。红外光谱在648cm^-1处发现CO₂吸附特征峰，证实分子与框架相互作用。温度降至200K时，甲氧基修饰使吸附CO₂振动峰蓝移1.9cm^-1，表明低温增强主客体相互作用。

结构光响应性

将光敏分子偶氮苯(AB)引入MOF孔道后，365nm光照引发trans-to-cis异构化，使Zn₂Me-BDC₂DABCO羧酸盐对称振动红移3.2cm^-1。QCM-D证实光照可逆调控CO₂吸附，首次实现光控释放。红外光谱在720cm^-1处新峰证实AB与CO₂的相互作用是光响应机制的关键。

这项研究通过分子设计实现了MOF薄膜性能的精准调控，解决了低压CO₂捕获材料的结构稳定性与响应性难题。特别是光控释放技术的开发，为远程操控CCS过程提供了新范式。研究发现配体功能化可增强框架柔性并创造特异性吸附位点，这为设计新一代智能吸附材料指明了方向。该工作不仅推进了MOF薄膜在绿色能源领域的应用，其建立的多尺度表征方法也为研究其他气体吸附体系提供了重要参考。