综述：刺激响应性有机材料和聚合物的进展：迈向智能二氧化碳捕获技术

《Advanced Functional Materials》：Advances in Stimuli-Responsive Organic Materials and Polymers toward Intelligent CO2 Capture

刺激响应有机材料在二氧化碳捕获中的应用及多刺激协同机制研究，重点分析了COFs、MOFs、POPs等材料在温度、光、pH、压力、磁性和氧化还原等单一及多刺激下的吸附与释放性能，总结其高选择性、低能耗和可循环特性，并探讨未来规模化应用中的材料稳定性、工艺优化及系统集成挑战。

　　近年来，随着全球气候变化问题的日益严峻，碳捕集与封存（CCS）以及负排放技术（NETs）在应对碳中和目标中发挥着越来越重要的作用。二氧化碳（CO?）作为主要的温室气体之一，其浓度在过去四十年间显著上升，这促使科学家和政策制定者不断探索新的解决方案。传统的CO?捕集方法通常需要高能耗和复杂的操作流程，而新型的刺激响应有机材料和聚合物则为实现低能耗、可调控的碳捕集提供了新的思路。这类材料能够根据外界环境的变化（如温度、光照、pH值、氧化还原、磁性和压力）进行结构或功能上的调整，从而实现CO?的可控吸附与脱附。本文旨在系统梳理这些材料在CO?捕集中的应用进展，并探讨其在实际应用中的潜力与挑战。

在当前的气候背景下，CO?的捕集不仅关乎工业排放的控制，还涉及对大气中分散排放和历史累积排放的处理。传统方法如胺类吸收剂在高浓度CO?排放源中表现良好，但面对低浓度空气中的CO?捕集时，其能耗显著增加，效率较低。因此，开发具有高选择性、低能耗、可重复使用和适用于多种环境的新型材料成为迫切需求。刺激响应材料因其对环境刺激的敏感性和可逆性，被认为是未来CO?捕集技术的重要方向。它们通过物理或化学机制对特定刺激做出反应，实现CO?的高效捕集与释放。

### 刺激响应材料的优势与分类

刺激响应材料根据其响应机制可以分为多种类型，包括光响应、温度响应、pH响应、氧化还原响应、磁响应和压力响应等。这些材料通过引入响应单元，如光敏基团、温度敏感聚合物、pH响应官能团、氧化还原活性位点、磁性纳米粒子或压力感应配体，实现对CO?的吸附与脱附的精确控制。相比于传统方法，刺激响应材料在多个方面展现出显著优势：首先，它们能够通过外部刺激实现吸附与脱附的可控性，避免了传统高温或高能耗再生过程；其次，这类材料通常具有较高的吸附容量和选择性，尤其是在特定条件下，如高CO?浓度或低浓度空气中，能够表现出优异的性能；最后，它们在结构设计上具备灵活性，可以适应不同的应用场景，包括工业气体处理、大气CO?捕集和能源储存等。

光响应材料因其对光的敏感性而在CO?捕集中受到广泛关注。例如，Zn(AzDC)(4,4′-BPE)是一种含有光响应基团的金属有机框架（MOF），在紫外光照射下可以实现高达64%的CO?脱附效率。另一种光响应材料DArE@PAF-1则通过光诱导的分子异构化实现CO?的快速释放。此外，通过将银纳米晶粒嵌入UiO-66框架中，研究者利用可见光的热效应实现高效CO?脱附，其脱附效率可达90.5%。这些光响应材料通常具有良好的循环稳定性，但它们的响应速度、光穿透性和长期稳定性仍需进一步优化。

温度响应材料则是另一种重要类别。例如，PNiPAm-CyclenZn聚合物能够在较低温度下吸附CO?，并在较高温度下实现快速脱附，从而降低能耗。通过将可逆温度响应性基团引入生物基材料，如纤维素基材料，可以实现高效的CO?吸附与脱附，同时减少再生所需的温度。然而，这类材料在操作过程中可能会受到水分或其他气体的干扰，影响其性能。此外，某些微凝胶系统在CO?引入时会产生泡沫，这不仅影响材料的响应性，还可能导致吸附效率下降。

pH响应材料通常通过在碱性条件下吸附CO?、在酸性条件下释放CO?的机制实现循环操作。例如，UiO-66-SO?H材料在碱性环境中发生结构转变，使得其吸附能力显著增强，而在酸性环境中则恢复原始结构，实现CO?的脱附。这类材料在实验室条件下表现良好，但在实际应用中，由于pH变化速度较慢，以及材料的响应效率受限，因此在快速吸附与脱附场景中仍面临挑战。

磁响应材料则通过外部磁场驱动纳米颗粒产热，实现CO?的快速脱附。例如，MgFe?O?@UiO-66复合材料在磁场作用下能够高效脱附CO?，其脱附效率甚至可达100%。此外，将磁性纳米颗粒与MOF结合，不仅提升了材料的可再生性，还增强了其在复杂环境中的适应性。然而，磁响应材料的CO?吸附容量相对较低，限制了其在大规模应用中的能效表现。

压力响应材料则通过外部压力的变化调整其结构或孔隙率，从而实现CO?的吸附与脱附。例如，ZIF-8是一种具有可逆结构变化的MOF，在高压力下孔隙扩大，CO?吸附能力增强；而在低压力下，孔隙收缩，CO?释放效率提高。此外，PCN-69是一种通过压力调控其配体构象，从而实现CO?吸附能力动态变化的MOF。这类材料在高压环境中表现出良好的吸附性能，但在反复压力循环过程中可能会出现结构疲劳或孔隙坍塌，影响其使用寿命和脱附效率。

氧化还原响应材料则是通过电化学刺激实现CO?的吸附与脱附。例如，PAQ-CNT复合电极在还原电位下能够捕集CO?，而在氧化电位下释放CO?，表现出良好的循环性能和能效。这类材料的吸附能力通常较高，但其响应机制依赖于材料的氧化还原活性，因此在长期使用中可能会因氧化还原循环而导致材料降解。此外，为了提升氧化还原响应材料的稳定性，研究者通过引入导电MOF或电活性单元，如Ni-BDI，来增强其导电性并改善其对CO?的吸附能力。

### 多刺激响应材料的创新与发展

除了单刺激响应材料，多刺激响应材料因其在复杂环境中更高的适应性和控制能力而备受关注。例如，红ox-pH响应材料通过电化学调控pH值，实现CO?的吸附与脱附。这种材料在低电压下工作，且能够实现高效的CO?捕集与释放，同时避免了传统方法中的高温或腐蚀问题。此外，光-温度-压力响应材料通过多种刺激的协同作用，实现了更精确的吸附控制。例如，P(Azo-N-EO?MA)聚合物在光、温度和pH的共同作用下能够实现CO?的吸附与脱附，并表现出良好的可逆性。

然而，尽管多刺激响应材料在性能上表现出色，其实际应用仍面临诸多挑战。首先，材料的合成过程往往较为复杂，限制了其大规模生产的可行性；其次，响应效率在多次循环后可能会下降，影响其长期稳定性；再次，多刺激之间的相互作用可能产生竞争或协同效应，需要更深入的研究来优化材料性能；最后，大多数研究仍停留在实验室阶段，缺乏对材料在实际应用中的传质效率、生命周期和工程集成的系统评估。

### 未来发展方向与应用前景

为了推动刺激响应材料在CO?捕集中的实际应用，未来的研究应着重于以下几个方向。首先，开发环保、可持续的合成方法，如利用可再生资源和无溶剂化学，以减少材料制备过程中的环境负担。其次，将响应材料与膜模块、电化学装置或吸附反应器结合，构建高效的混合捕集系统。此外，针对不同应用场景（如直接空气捕集、燃烧后捕集、生物气体提纯和模块化CO?存储），对材料进行定制化设计，以满足特定的性能需求。最后，进一步发展基于电化学的多刺激响应系统，以利用电力刺激的快速响应性和精确调控能力，提高CO?捕集的效率与稳定性。

刺激响应材料的应用前景广阔，尤其在新能源领域。例如，基于红ox的系统可以与太阳能、风能或废热资源相结合，实现CO?捕集与能源储存的协同效应。光响应材料可以用于建筑外墙的动态涂层，实现CO?的被动捕集与释放。多刺激响应材料则适用于可穿戴设备或紧凑型空气过滤系统，为个人碳管理或太空探索提供新的解决方案。此外，磁响应材料可以在恶劣工业条件下实现远程再生，提升系统的自动化水平和操作灵活性。

总之，刺激响应有机材料和聚合物在CO?捕集技术中展现出巨大的潜力。通过优化材料设计、提升合成效率和加强工程集成，这些材料有望成为实现碳中和目标的重要工具。随着科技的进步和跨学科合作的深入，刺激响应材料将在未来的碳捕集与利用体系中发挥更加关键的作用，为应对全球气候变化提供高效、智能和可持续的解决方案。