《Processes》：A Modified Approach for the Synthesis of Magnesium- and Zinc-Based Metal–Organic Frameworks for Carbon Capture: Probing the Physicochemical Properties
Glory Ngwanamagokong Makuwa and
Major Melusi Mabuza
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化石燃料电力生产所产生的二氧化碳（CO2）排放亟需缓解，这一紧迫需求推动了先进材料在燃烧后碳捕获领域的研究。研究人员提出了一种改进的溶剂热技术用于合成适用于燃煤电厂CO2捕获的锌（Zn）基和镁（Mg）基MOF-74。
化石燃料电力生产所产生的二氧化碳（CO2）排放亟需缓解，这一紧迫需求推动了先进材料在燃烧后碳捕获领域的研究。研究人员提出了一种改进的溶剂热技术用于合成适用于燃煤电厂CO2捕获的锌（Zn）基和镁（Mg）基MOF-74。材料通过溶剂热法合成，以N,N-二甲基甲酰胺（N,N-dimethylformamide, DMF）为主要溶剂，随后采用Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积分析、傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR）、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy, SEM-EDX）以及热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）进行表征。两种MOF均含有含氧官能团，热稳定性分别可达430 °C和600 °C，使其成为理想的碳捕获材料。低压N2-BET比表面积分别为55 m2/g和24.73 m2/g。综上所述，Zn材料具有介孔结构，更有利于碳捕获。研究发现，延长合成时间会削弱MOF结构。未来工作应通过等温线和动力学模型实验评估Zn/Mg-MOF glove-box中CO2捕获，并研究不同Zn:Mg比例在优化合成条件下的影响。
随着大气中二氧化碳（CO
2）浓度的持续攀升，由化石燃料燃烧、 deforestation 及农业活动主导的温室气体排放已成为全球环境治理的核心议题，其中CO
2占温室气体总量的79%以上。电力生产作为CO
2排放的主要源头之一，催生了碳捕获、利用与封存（carbon capture, utilization, and storage, CCUS）等创新技术的快速发展。金属-有机骨架（metal-organic framework, MOF）因其独特的结构可调性，在CO
2吸附选择性和容量方面展现出显著优势。Mg-MOF-74自21世纪初即被研究，其高密度开放金属位点在低压下是CO
2的主要吸附位点；Zn-MOF-74则具有约12 nm孔径的蜂窝状框架结构，由二价金属离子与2,5-二羟基对苯二甲酸连接构成。尽管溶剂热合成法在MOF-74制备中已较为成熟，但现有文献多集中于类似的实验条件范围，忽视了替代合成条件对材料物理化学性质及其对燃煤电厂实际烟气CO
2吸附适用性的影响。如何在保持高比表面积的同时确保结构热稳定性以适应苛刻的烟气条件，仍是该领域的关键挑战。为此，Glory Ngwanamagokong Makuwa和Major Melusi Mabuza在《Processes》发表了相关研究，系统探索了温度（100、110、125 °C）和时间（8、12、24、48 h）对Mg-和Zn-MOF-74织构发展的影响，以期为燃烧后捕获应用确定最佳条件。
研究人员采用改进的溶剂热法合成材料，以N,N-二甲基甲酰胺（N,N-dimethylformamide, DMF）为主溶剂，通过调控上述12种合成条件，结合BET、FTIR、XRD、SEM-EDX及TGA等表征手段，系统分析了合成参数对材料物理化学性质的影响。
在织构与热性能方面，BET分析显示Zn-MOF-74和Mg-MOF-74的N
2吸附等温线类型随合成条件变化而发生转变。Zn-MOF-74在100 °C、12 h条件下获得最高比表面积55 m
2/g，孔径2 nm；Mg-MOF-74在100 °C、8 h条件下达到最高比表面积24.7 m
2/g和最大孔径10.1 nm。延长合成时间至48 h导致材料出现Type III等温线，表明介孔结构减弱、吸附能力下降。TGA结果表明，Mg-MOF-74热稳定性可达600 °C，Zn-MOF-74可达430 °C；延长合成时间会降低质量保留率，表明 prolonged synthesis 削弱框架结构。
在结晶度与表面化学方面，XRD分析表明升高温度可增强晶体生长，125 °C时峰值强度最大；但延长合成时间至48 h导致非晶化，晶体结构完整性丧失。FTIR证实了羧基（C=O，1564 cm
?1）、羟基（-OH）等含氧官能团的存在，这些基团对CO
2吸附至关重要。值得注意的是，48 h样品中C=C共轭烯烃信号消失，进一步印证了结构不稳定性。
在形貌特征方面，SEM观察显示Zn-MOF-74呈规则菱形微观结构，100 °C、8 h条件下晶体表面光滑、粒径2–10 μm且分布均匀；升高温度至125 °C则导致颗粒粗化、表面粗糙度增加。Mg-MOF-74则呈现不规则方形或圆形形态，24 h合成条件下出现明显团聚现象。EDX分析确认了Mg、O和Zn的存在，且未检测到显著杂质，表明材料具有较高的相纯度。
讨论部分，研究人员进一步阐释了合成条件-结构-性能之间的关系。100 °C、8 h的温和条件不仅实现了最高的CO
2吸附容量（260 cm3/g），还通过降低能耗为规模化生产提供了可能。与工业基准Zeolite 13X相比，Mg-MOF-74的CO2吸附容量（约5.77 mmol/g）是其两倍有余（2.27 mmol/g），且改进合成法产生的更大介孔显著降低了传质阻力。尽管Zn-MOF-74孔径与合成参数间的关系尚不明确，暗示了非线性成核动力学的复杂性，但两种材料的热稳定性足以应对实际烟气环境而无需大幅预冷却。48 h合成的性能衰减被明确归因于结构崩塌而非表面污染，这为工业放大提供了关键时间窗口参数。
研究结论指出：Zn-MOF-74和Mg-MOF-74的合成成功实现，含氧官能团的存在通过FTIR得到确认；TGA表明升高温度可提高质量保留率，材料热稳定性分别达430 °C和600 °C，适用于典型烟气碳捕获；延长合成时间应避免，因未反应物及残留溶剂会削弱Mg-MOF-74结构并损害热稳定性与结晶度，48 h合成导致Zn样品孔径增大、CO2吸附能力下降；BET分析揭示了Mg材料的微孔和介孔区域；Zn材料在100 °C、12 h及125 °C、24 h条件下呈介孔结构，适用于气体储存与分离；XRD表明延长合成时间降低结晶度，Zn-MOF-74较Mg-MOF-74更为结晶，与SEM结果一致。该研究推动了环境碳捕获先进材料的发展。建议开展燃煤电厂实际烟气的实验室CO2捕获实验，利用Langmuir、Freundlich、Temkin、伪一级和伪二级模型研究吸附行为，并探索不同Zn:Mg比例对燃烧后CO2捕获的影响。
