用于高效二氧化碳捕获的界面组装沸石咪唑骨架织物

《Journal of Colloid and Interface Science》：Interfacial-assembled zeolitic-imidazole framework fabrics for efficient CO 2 capture

　　

摘要

金属有机框架（MOFs）凭借其高比表面积、大孔隙率及易改性等特点，在二氧化碳（CO₂）吸附与分离领域受到了广泛关注。然而，其粉末状特性导致机械稳定性差且传质不足，阻碍了其在该领域的应用。在此，本研究提出了一种有效的界面组装策略，用于制备具有增强 CO₂ 吸附容量的沸石咪唑酯骨架（ZIF）纳米纤维复合材料，即在静电纺丝纳米纤维上直接成核 ZIF 单元，我们称之为"ZIFabrics"。这种先进的合成工艺促进了分级孔隙结构的形成，以实现快速传质，并产生用于 CO₂ 吸附的协同结合位点。作为这种独特设计的证明，所得的 ZIFabrics 展现了一些理想的应用性能，如 239.57 m²/g 的高比表面积、298 K 下 4.37 mmol/g 的高 CO₂ 吸附容量，以及 40 的高 CO₂/N₂ 选择性。此外，ZIFabrics 在多次 CO₂ 吸附循环后表现出优异的再生性。此外，密度泛函理论计算验证了可能的 CO₂ 吸附机制。总的来说，本研究展示了一种在 ZIFabrics 中协同开发多个结合位点的有效策略，以实现高效 CO₂ 捕获的高吸附容量。

引言

大气中的二氧化碳（CO₂）浓度持续上升，从而引发了一些令人烦恼的环境危害，包括海水酸化、海平面上升和全球变暖 [1], [2], [3]。从烟气中捕获 CO₂ 是碳捕集、利用与封存（CCUS）的第一步。大量研究致力于推进一些先进的 CO₂ 捕获方法以减少 CO₂ 排放 [4], [5], [6]。基于其温和的操作要求和低成本等迷人特性，物理吸附最近引起了研究人员的关注 [7]。因此，目前的工作致力于开发具有改进吸附容量和稳定再生能力的高性能 CO₂ 吸附剂。

作为多孔物质的典型代表，金属有机框架（MOFs）凭借其丰富的拓扑结构形态、易改性和大孔隙率等 promising 结构特性，展示了其在 CO₂ 吸附方面的优越性 [8], [9], [10], [11]。然而，作为理想的气体吸附剂，它们仍有一些需要解决的问题 [12], [13], [14]。例如，MOFs 通常以粉末形式存在，这使得它们脆弱且容易被气体流体移位 [15]。此外，它容易堵塞管道并增加压降，从而限制气体传输效率并延迟吸附动力学平衡。因此，MOFs 的粉末特征仍然给其应用带来一些挑战。

为了更好地解决这些缺点，特别是团聚问题，许多柔性支撑体（如聚合物、泡沫和气凝胶）已被用于负载 MOFs，这同时改善了机械性能和 CO₂ 吸附容量 [16], [17], [18]。然而，简单的制备工艺也带来了一些缺点，包括 MOFs 分布不均和负载量低，这并未有效提高气体传输效率 [19], [20], [21]。此外，这些柔性支撑体的作用尚未得到充分利用。目前没有研究报告表明支撑体本身能提供大量 CO₂ 吸附位点。因此，迫切需要开发具有高效气体传质效率和大量 CO₂ 吸附位点的先进 MOF 复合材料，以协同增强 CO₂ 吸附和分离 [22], [23], [24]。

在此，我们提出了一种有前景的界面组装策略，将 ZIF-67 原位固定到静电纺丝聚亚胺基氧（PAO）纳米纤维表面，开发一种具有分级孔隙结构以增强 CO₂ 吸附的复合材料，我们将其称为"ZIFabrics"。有趣的是，PAO 纳米纤维不仅可以作为固定 ZIF-67 的稳定支撑体，还能提供大量亲 CO₂ 位点。得益于这种独特设计，开发的 ZIFabrics 表现出 239.57 m²/g 的高比表面积值和 298 K 下 4.37 mmol/g 的高 CO₂ 吸附容量。此外，ZIFabrics 具有改进的 40 的 CO₂/N₂ 吸附选择性。经过多次吸附循环后，ZIFabrics 的 CO₂ 吸附容量可保持为其初始容量的 95.24%。密度泛函理论（DFT）计算进一步证明了源自 ZIF-67 和 PAO 的协同位点的主导作用。这些结果表明，制备的 ZIFabrics 可能是从烟气中有效捕获 CO₂ 以减轻与 CO₂ 排放相关危害的优选选择。

章节摘录

试剂

聚丙烯腈（PAN, Mw = 150,000, AR, ≥ 99.5%）和盐酸羟胺（NH₂OH·HCl, AR, ≥ 99%）购自北京索莱宝科技有限公司。二甲基甲酰胺（DMF, AR, ≥ 99.8%）、碳酸钠（Na₂CO₃, AR, ≥ 99%）、氢氧化钠（NaOH, AR, ≥ 99%）、盐酸（HCl, AR, ≥ 36.0%）、甲醇（CH₃OH, AR, ≥ 99.5%）和超纯水购自国药集团化学试剂有限公司。2-甲基咪唑（2-mIM, AR, ≥ 98%）和六水合硝酸钴

结果与讨论

为了进一步提高 MOFs 对 CO₂ 分子的亲和力，提出了一种开发 ZIFabrics 的有前景的界面组装策略。如图 1a 所示，首先获得 PP 纳米纤维，然后将其浸入含有 2-mIM 的水溶液中。Co²⁺ 与 PAO 的多个阴离子（AO^?）之间的稳定相互作用会产生交联界面，这有利于吸附大量 Co²⁺ 到 PAO 表面并作为成核位点（图 1b、c、S1 及

结论

我们提出了一种有效的界面组装策略，用于开发具有分级孔隙结构和 CO₂ 捕获协同多结合位点的 ZIFabrics。ZIF-67 组装到静电纺丝纳米纤维表面，这不仅创造了用于快速传质通道的分级孔隙，还产生了用于 CO₂ 吸附的多个协同结合位点。与 ZIF-67 粉末相比，所得的 ZIFabrics 表现出显著的性能指标，

CRediT 作者贡献声明

张同同：写作 – 初稿，软件，资源，数据整理。赵慧娟：写作 – 初稿，监督，项目管理，资金获取。鲍宇：软件，资源，方法论，调查。赵国栋：写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本研究得到了 中国国家自然科学基金（22475021）、山东省自然科学基金（ZR2024QE041）、青岛市自然科学基金（24-4-4-zrjj-60-jch）和 中国博士后科学基金（2024M761559）的支持。

张同同 | 赵慧娟 | 鲍宇 | 赵国栋