本文介绍了一项关于高温二氧化碳（CO₂）捕获的研究，该研究由Rachel C. Rohde、Kurtis M. Carsch等多名研究人员共同完成，发表在2024年11月15日的《Science》期刊上。这项研究由加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室等多个机构的研究人员合作完成，主要探讨了一种具有末端锌氢化物位点的多孔材料在高温下对CO₂的可逆捕获能力。

研究背景

全球变暖是当今世界面临的主要挑战之一，而碳捕获技术被认为是减缓温室气体排放的重要策略之一。尽管可再生能源的使用正在加速，但化石燃料仍将在未来几十年内占据全球能源供应的主要部分。目前，最成熟的碳捕获技术是基于胺类溶液的后燃烧CO₂捕获技术，但这些技术存在高热量需求、腐蚀性和挥发性等问题，限制了其广泛应用。此外，胺类溶液通常在较低温度（≤60°C）下与CO₂反应，而许多工业废气（如钢铁和水泥制造过程中产生的废气）的温度远高于此（>200°C），因此需要将废气冷却后才能进行CO₂捕获，这增加了资本和运营成本。

为了克服这些挑战，研究人员开始探索能够在高温下捕获CO₂的材料。金属氧化物吸收剂是其中的一种选择，但这些材料在高温下通常表现出缓慢的CO₂吸收动力学和循环不稳定性。金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）因其化学稳定性、高孔隙率和快速吸附动力学而成为CO₂捕获的潜在候选材料。然而，此前的研究表明，MOFs在高于150°C的温度下无法有效捕获CO₂。因此，开发一种能够在更高温度下捕获CO₂的MOFs材料具有重要的科学和应用价值。

研究目标

本研究的目标是开发一种能够在高温（>200°C）下可逆捕获CO₂的多孔材料，并探索其在工业废气处理中的应用潜力。具体来说，研究人员设计了一种具有末端锌氢化物位点的MOF材料（ZnH-MFU-4L），并研究了其在高温下对CO₂的吸附性能、循环稳定性以及吸附机制。

研究方法与流程

研究分为以下几个主要步骤：

1. 材料合成与初步表征
   研究人员首先合成了ZnH-MFU-4L材料。该材料通过将ZnCl-MFU-4L与二乙基锌反应生成ZnEt-MFU-4L，随后通过甲酸质子化生成Zn(O₂CH)-MFU-4L，最后在动态真空或氮气条件下加热生成ZnH-MFU-4L。通过核磁共振（NMR）光谱、X射线衍射（XRD）和红外光谱（IR）等手段对材料进行了表征，确认了材料的化学结构和锌氢化物位点的存在。

2. CO₂吸附性能测试
   研究人员在不同温度（25°C至300°C）下对ZnH-MFU-4L进行了CO₂吸附等温线测试。结果表明，随着温度的升高，材料对CO₂的吸附能力显著增强。特别是在100°C以上，材料表现出极强的CO₂吸附能力，且在高温下CO₂的吸附和脱附过程是可逆的。

3. 循环稳定性测试
   为了评估材料的循环稳定性，研究人员在300°C下对ZnH-MFU-4L进行了508次CO₂吸附-脱附循环测试。结果显示，材料在长期循环中保持了96%以上的初始吸附容量，表现出极高的稳定性。

4. 吸附机制研究
   通过X射线衍射和固态核磁共振光谱等手段，研究人员进一步研究了CO₂在ZnH-MFU-4L中的吸附机制。结果表明，CO₂通过插入锌氢化物键形成锌甲酸盐（Zn(O₂CH)-MFU-4L），这一过程在高温下是可逆的。

5. 工业应用潜力评估
   研究人员还进行了突破实验，模拟了工业废气中的CO₂捕获过程。结果表明，ZnH-MFU-4L在高温下能够高效捕获低浓度CO₂，显示出其在钢铁、水泥等工业废气处理中的潜在应用价值。

主要结果

1. 高温CO₂吸附能力
   ZnH-MFU-4L在高温下表现出极强的CO₂吸附能力。在200°C和1 bar的条件下，材料的CO₂吸附容量达到3.27 mmol/g，远高于其他已知的MOFs材料。

2. 循环稳定性
   材料在508次循环测试中保持了96%以上的初始吸附容量，显示出极高的循环稳定性。

3. 吸附机制
   研究表明，CO₂通过插入锌氢化物键形成锌甲酸盐，这一过程在高温下是可逆的。这一机制为设计其他高温气体捕获材料提供了新的思路。

结论与意义

本研究开发了一种能够在高温下可逆捕获CO₂的MOF材料（ZnH-MFU-4L），并详细研究了其吸附性能、循环稳定性和吸附机制。该材料的成功开发为高温工业废气中的CO₂捕获提供了新的解决方案，具有重要的科学和应用价值。此外，该研究还为设计其他高温气体捕获材料提供了新的思路，有望推动碳捕获技术的进一步发展。

研究亮点

1. 高温CO₂捕获
   ZnH-MFU-4L是首个能够在>200°C下可逆捕获CO₂的多孔材料，突破了此前MOFs材料在高温下无法有效捕获CO₂的限制。

2. 高循环稳定性
   材料在508次循环测试中保持了96%以上的初始吸附容量，显示出极高的循环稳定性，适合长期工业应用。

3. 新颖的吸附机制
   研究表明，CO₂通过插入锌氢化物键形成锌甲酸盐，这一机制为设计其他高温气体捕获材料提供了新的思路。

其他有价值的内容

本研究还探讨了ZnH-MFU-4L在含水气和SO₂等复杂工业废气环境中的表现，结果表明材料在复杂环境下仍能保持较高的CO₂选择性。此外，研究人员还通过密度泛函理论（DFT）计算，进一步揭示了CO₂插入锌氢化物键的自由能变化，为理解吸附机制提供了理论支持。

这项研究为高温CO₂捕获技术的发展提供了重要的科学依据，并为工业废气处理提供了新的解决方案。