一种使用MXene@MOF催化剂实现节能CO2捕集的MEA溶剂再生方法

《Journal of CO2 Utilization》：A promising MEA solvent regeneration approach using MXene@MOF catalyst for energy efficient CO 2 capture

　　

基于水性胺的系统仍是工业烟气中去除二氧化碳（CO₂）最可行的方案，但其广泛应用受限于溶剂再生所需的高能耗。MXene@MOF纳米复合材料通过催化再生的方式解决了这一限制，其在催化剂表面引入了高密度的活性位点，包括路易斯酸位点（LASs）和布朗斯特酸位点（BASs），这些位点协同作用以提高催化效率。通过将基于钼的MXene（Mo₂CT_x）的导电性、富表面特性与基于沸石咪唑酯骨架的MOF（ZIF67）的多功能配位化学相结合，该复合材料实现了加速的CO₂脱附。MXene@MOF利用协同的LASs和BASs来削弱氨基甲酸盐键并促进高效的质子转移，从而在较低能量输入下实现更快的CO₂释放。与无催化剂过程相比，其CO₂脱附速率提高了159%，脱附的CO₂量增加了50%，同时再生能耗降低了30%。催化剂表面独特形成的活性位点促进了氨基甲酸盐的分解和质子转移，使这种杂化材料成为胺再生过程中CO₂捕集领域的一项有前景的进展，研究人员提出其可作为下一代分离技术中缓解工业及天然CO₂排放的潜在候选材料。

**论文解读：MXene@MOF复合催化剂驱动节能胺溶剂再生实现高效CO₂捕集**

**研究背景与问题**

工业烟气中二氧化碳（CO₂）的捕集是应对温室气体排放的关键环节。当前，基于水性胺（如单乙醇胺，MEA）的后燃烧CO₂捕集技术因其高脱除效率而成为最具工业部署潜力的方案之一。然而，该技术面临的核心挑战是溶剂再生过程的高能耗需求（通常需要120–140 °C），这部分能耗占CO₂捕集总成本的70–80%。因此，开发能够显著降低再生能耗的催化辅助再生策略成为研究热点。传统固体酸催化剂（如金属氧化物（MOs）、沸石、介孔二氧化硅等）虽能通过提供酸性位点促进氨基甲酸盐分解，但其存在比表面积小、孔径不均、易失活或结构不稳定等问题。新兴的二维材料MXene（尤其是钼基MXene，Mo₂CT_x）具有高比表面积、丰富的边缘活性位点和可调表面官能团，在催化领域展现出潜力，但纯MXene存在水氧环境下快速降解、纳米片再堆积导致活性位点损失等稳定性缺陷。金属有机框架（MOFs，如ZIF67）则具有高比表面积、可调孔结构和丰富的配位不饱和金属中心，但单独使用时的催化耐久性仍需改进。基于此，研究人员提出将MXene与MOF复合，利用两者的协同效应构建一种兼具高活性与高稳定性的纳米复合催化剂，用于MEA溶剂的高效催化再生，以降低CO₂脱附能耗。

**研究内容与结论**

本研究成功合成了MXene@MOF复合催化剂（将ZIF67纳米颗粒负载于Mo₃C₂T_x MXene纳米片上），并系统评估了其在CO₂饱和MEA溶液（初始CO₂负载约0.55 mol CO₂/mol胺）中的催化再生性能。实验在90 °C、常压条件下进行，通过对比无催化剂空白实验，发现该复合催化剂使CO₂脱附速率提高了159%（达到7.22 mmol/min），脱附CO₂量增加了50%（从79.37 mmol增至118.84 mmol），同时相对热负荷降低了30%。通过系列表征（SEM、EDS、XRD、FTIR、BET），证实了复合催化剂表面同时存在路易斯酸位点（LASs，来自Mo和Co中心）和布朗斯特酸位点（BASs，来自MXene表面–OH、–F等基团及ZIF67的质子），这些位点的协同作用通过削弱氨基甲酸盐的C-N键并促进质子转移，实现了在更低温度（90 °C即可达到非催化100 °C的脱附效果）下的高效CO₂释放。循环稳定性测试显示，经过10次吸脱附循环后，催化剂仍保持比无催化过程高约31%的脱附效率，表现出较好的可重复使用性。该研究成果发表在《Journal of CO₂ Utilization》。

**关键技术与方法**

（1）**催化剂制备**：采用原位生长法，先将MAX相（Mo₃AlC₂）经LiF/HCl酸性插层刻蚀、DMSO剥离得到少层MXene（Mo₃C₂T_x）胶体溶液；再通过溶液共混法将预先合成的ZIF67纳米颗粒（通过钴盐与2-甲基咪唑在甲醇中配位自组装获得）分散至MXene溶液中，经超声混合、离心、真空干燥得到MXene@MOF复合催化剂。**（2）性能测试**：在90 °C、常压、300 rpm搅拌条件下，使用Aalborg数字质量流量计（XFM17）实时记录CO₂脱附速率和累积脱附量，通过电力功率计（Decdeal）计算相对热负荷。**（3）表征手段**：采用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析形貌与元素分布；X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定物相及官能团；氮气吸附-脱附（BET）测定比表面积及孔结构。**（4）循环稳定性**：将催化剂保留在反应液中，重复进行CO₂负载与脱附操作，评估多周期性能。

**研究结果与讨论**

**3.1 催化剂性能结果**
通过对比空白（无催化剂）、纯MXene、纯ZIF67及MXene@MOF的CO₂脱附实验，发现MXene@MOF表现出最优性能：脱附速率峰值达7.22 mmol/min（较空白提高159%），脱附总量达118.84 mmol（提高50%），热负荷降低约30%。纯MXene初期脱附速率虽高但迅速衰减，归因于结构不稳定和表面钝化；而复合催化剂通过ZIF67的锚定作用防止了MXene纳米片再堆积，同时ZIF67自身的多孔结构贡献了额外活性位点，提升了整体稳定性和催化效率。此外，催化剂的添加使脱附温度峰值向低温区移动，在90 °C即可达到非催化过程100 °C的脱附速率，证明其显著降低了再生所需温度。

**3.2 催化剂表征结果**
SEM图像显示ZIF67纳米颗粒均匀分布在MXene纳米片表面，形成独特的杂化结构。EDS元素映射证实了Mo、Co、C、O的成功共存。XRD图谱同时出现MXene（如(002)峰）和ZIF67（如(011)峰）的特征衍射峰，表明复合材料成功合成且物相完整。FTIR光谱在3200–3600 cm^-1处出现–OH振动峰，在500–800 cm^-1处出现Mo–O和Co–O键，在1300–1500 cm^-1处出现咪唑环特征峰，证实了LASs和BASs的存在。BET分析显示复合物比表面积为152 m²/g，低于纯ZIF67（364 m²/g），且等温线由I型转变为IV型（带H3/H4滞后环），表明形成了介孔-微孔复合结构，有利于反应物扩散和活性位点可及性。

**3.3 催化机理分析**
MXene@MOF催化CO₂脱附过程基于多类活性位点的协同作用：MXene表面的Mo中心及ZIF67中的Co²⁺作为LASs，接受氨基甲酸盐的电子对，极化并削弱C-N键；MXene表面–OH、–F基团及ZIF67中的质子作为BASs，直接提供质子促进氨基甲酸盐分解；ZIF67中的氮位点作为布朗斯特碱位点（BBSs），加速质子化胺的去质子化。三者协同降低了反应能垒，使CO₂在较低温度下即可快速释放。

**3.4 CO₂负载、脱附特性与能量需求的相关性分析**
通过相关性矩阵分析发现：最终CO₂负载与最大脱附速率（r≈-0.98）、总脱附量（r≈-0.99）及脱附量增加百分比（r≈-1.00）呈强负相关，说明高负载导致强吸附从而抑制脱附；最大脱附速率与总脱附量呈强正相关（r≈0.98），表明动力学与容量紧密耦合；热负荷与CO₂负载呈弱正相关（r≈0.15），说明再生能耗受负载影响有限。

**总结与结论**

该研究通过构建MXene@MOF纳米复合催化剂，成功实现了MEA溶剂的高效催化再生。该催化剂凭借MXene与ZIF67的协同作用，在表面形成了丰富且稳定的LASs和BASs，显著促进了氨基甲酸盐分解和质子转移，使CO₂脱附速率提高159%、脱附量增加50%、再生能耗降低30%，且能在低于100 °C的温度下运行，减少了溶剂降解。该催化剂在低剂量（0.1 wt%）下即表现出优异的性能，且经过10次循环后脱附效率仍远高于无催化过程（约31%），展现出良好的稳定性和应用潜力。研究结论指出：MXene@MOF催化剂在CO₂脱附过程中相较于传统非催化方法具有更高能效和经济性，为开发下一代节能型CO₂捕集技术提供了有前景的途径。