用于吸附氟化气体的多孔有机聚合物

《Journal of Molecular Liquids》：Porous organic polymers for the adsorption of fluorinated gases

氟化气体吸附材料研究显示，多孔有机聚合物（POPs）如RIO-55在低压下因微孔与介孔平衡结构表现出最高选择性，能高效分离R-410A（R-32/R-125）和SF?/N?混合气体。采用双位点Langmuir模型和IAST理论，证实POPs的表面功能基团（如C=O、-OH）与氟化气体的强相互作用是选择性来源，同时材料的高比表面积和可控孔分布提升吸附性能。研究为欧盟循环经济制冷剂回收提供了新策略。

　　在当今全球环境问题日益严峻的背景下，氟化气体（F-gases）的捕获和分离技术成为应对气候变化的关键研究方向之一。氟化气体，如六氟化硫（SF?）、二氟甲烷（R-32）、五氟乙烷（R-125）和1,1,1-三氟乙烷（R-134a）等，因其极高的全球变暖潜能（GWP）和在大气中的长期存在性，对全球变暖产生显著影响。为了解决这一问题，科学家们正在探索新型材料，特别是具有自组装特性和选择性吸附能力的多孔有机聚合物（Porous Organic Polymers, POPs）。这些材料不仅能够有效捕获F-gases，还具有经济可行性和可扩展性，使其成为工业应用中的理想选择。

POPs是由有机建筑块通过共价键连接而成的多孔材料，具有高表面积、可调节的功能性和包括晶体和非晶结构在内的多样性。这些特性使POPs在多种应用中表现出色，尤其是在气体分离和捕获领域。在本研究中，科学家们通过实验分析了四种不同的POP材料：RIO-55、RIO-23、RIO-20和RIO-12对R-32、R-125、R-134a、SF?和氮气（N?）的吸附平衡，并采用双位点朗缪尔（Dual-Site Langmuir, DSL）模型对吸附行为进行拟合，以揭示材料在不同压力条件下的吸附性能差异。此外，还利用理想吸附溶液理论（Ideal Adsorbed Solution Theory, IAST）评估了典型商业混合气体如R-410A、R-407C和SF?/N?的竞争力选择性。

研究发现，RIO-55在低压力条件下表现出最高的选择性，这主要归因于其微孔和介孔的平衡结构以及内在的离子特性。这种结构不仅增强了材料与F-gases分子之间的相互作用，还使其在选择性吸附方面具有显著优势。相比之下，RIO-12由于其较高的表面积和显著的微孔体积，表现出对SF?的高效吸附能力。在吸附性能方面，RIO-12展现出较强的吸附能力，尤其是在高压力条件下，其大孔结构有助于容纳更多的SF?分子。

在对F-gases混合物的分离研究中，RIO-55显示出对R-410A和R-407C混合物的最高选择性。这归因于其较小的孔径和较低的总孔体积，使得R-32能够优先被吸附，而R-125则相对被排斥。在SF?/N?混合物的分离中，RIO-12由于其较高的表面积和较大的微孔体积，表现出最佳的分离效果。这种性能使得RIO-12成为在SF?捕获和N?分离方面具有广泛应用潜力的材料。

这些材料的合成基于天然染料和羟基化嗪作为前驱体，这一方法不仅降低了材料的合成成本，还提供了可持续的解决方案。此外，通过不同的合成工艺，如超临界二氧化碳干燥，可以调控材料的孔结构和表面积，以满足特定的吸附需求。例如，RIO-55通过避免超临界二氧化碳干燥，实现了对微孔结构的调控，从而提高了其在选择性吸附方面的性能。

材料的表征分析表明，RIO-55具有较低的表面积和微孔体积，这与其较低的孔隙率和相对较少的吸附位点有关。然而，这种结构反而有利于在低压力条件下对较小的F-gases分子如R-32的优先吸附。相比之下，RIO-23和RIO-20具有较高的表面积和较大的孔隙，这使其在吸附能力上优于RIO-55。RIO-12则表现出最高的表面积和最广泛的孔隙分布，这使其在吸附能力和选择性方面都表现出色。

吸附行为的研究表明，材料的表面积、孔体积和孔径分布对F-gases的吸附性能具有重要影响。在低压力条件下，吸附主要依赖于分子与材料表面的物理相互作用，而在高压力条件下，吸附能力则受到孔体积和孔径分布的影响。此外，材料表面的官能团，如羟基（-OH）和醛基（C=O），能够通过氢键相互作用增强对F-gases的吸附能力。

研究还指出，POP材料在吸附性能和选择性之间能够实现良好的平衡，使其在工业应用中具有显著优势。例如，在R-410A和SF?/N?混合物的分离中，RIO-55和RIO-12分别表现出最高的选择性和吸附能力。这些材料的稳定性也得到了验证，它们在多次再生循环后仍能保持结构完整性和吸附性能，这为它们在实际应用中的可重复使用提供了保障。

总的来说，这项研究展示了POP材料在捕获和分离F-gases方面的巨大潜力。通过合理设计材料的结构和功能，可以实现对特定气体的高效选择性吸附，同时保持良好的吸附容量和再生性能。这些特性使POP材料成为应对气候变化和实现循环经济目标的重要工具，特别是在制冷和电气绝缘行业。未来的研究可以进一步优化这些材料的合成工艺和结构设计，以提高其在实际应用中的性能和经济可行性。