從空氣中捕獲二氧化碳，為應對氣候變化和實現碳中和目標，提供了一種有希望的方法。

然而，開發一種具有高容量，快速動力學和低再生溫度的耐用材料用于二氧化碳捕獲，特別是從復雜和動態的大氣中捕獲，仍然缺乏。

在此，來自德國洪堡大學的Joachim Sauer、美國加州大學伯克利分校的Omar M. Yaghi等研究者合成了一種具有烯烴鍵的多孔晶體共價有機骨架（COF），并對其進行了結構表征，并通過胺引發劑的共價附著進行了合成修飾，從而在孔隙中生成多胺。相關論文以題為“Carbon dioxide capture from open air using covalent organic frameworks”于2024年10月23日發表在Nature上。

要從空氣中高效捕獲CO₂，材料必須具備選擇性、高CO₂容量，并在低CO₂濃度（約400 ppm）下表現出快速的動力學。

此外，該材料在其他空氣成分（尤其是氧氣和水）的存在下，必須具備低再生溫度和高循環穩定性。已有大量研究報道了使用液態堿溶液、金屬有機框架（MOFs）以及負載胺類的硅膠作為直接空氣捕集（DAC）的潛在候選材料。

然而，盡管這些材料前景可期，但液態溶液的全面應用面臨再生過程能耗高和毒性問題，而MOFs和負載胺類硅膠在循環過程中仍然存在水解和胺損失的持久問題。

基于網狀化學的設計原理，研究人員合成了胺功能化的共價有機框架（COFs），以提高CO₂物理吸附的親和性，從而實現CO₂與氣體混合物（典型CO₂濃度大于10%）的分離。

然而，要在實際條件下直接從空氣中捕獲CO₂，關鍵在于在更加穩定的骨架中引入更強的化學吸附位點。

在本研究中，研究者設計了一種多孔的、晶態的COF（稱為COF-999），該材料能夠從含有400 ppm CO₂、相對濕度為50%的空氣中選擇性地捕獲2.05 mmol/g的CO₂。

通過進行100次CO₂吸附-解吸溫度循環（環境溫度至60°C）并在露天條件下運行20天，研究者證明了這種COF的循環穩定性，其容量和性能完全保持。

COF-999在DAC應用中超越了當前的先進材料，COF化學總體上為分子設計和這種新興材料類別的最終應用提供了廣泛的機會。

研究者的策略如圖1所示，將解決DAC挑戰所需的分子特性融入COF中。首先，使用疏水性構建單元構建的COF提供了疏水性孔道，能夠吸附少量水分，從而降低CO₂的再生溫度。

其次，啟動子通過共價鍵結合到框架上，進而允許多胺的共價附著，防止其在循環過程中損失。啟動子設計為具有反應性，且孔道設計為較大尺寸，這為高載量的多胺提供了機會，并促進了CO₂的擴散——這是實現高容量和快速循環的必要前提。

第三，共價分子之間的烯鍵使得COF骨架具有整體的熱穩定性和化學穩定性，能夠在后合成過程中安裝多胺單元，并且在多次CO₂循環過程中保持COF結構的孔隙性和完整性。

圖1 COF-999的設計策略與綜合。

圖2 COF-999系列的特性。

圖3 COF-999的氣體吸附熱力學和動力學研究。

圖4 從露天空氣中捕獲二氧化碳。

綜上所述，研究者展示了具有烯烴連接主鏈和共價吸附位點的COFs如何帶來超高的化學穩定性，可以作為從空氣中捕獲二氧化碳的優秀材料。

該研究表明，這種在戶外的應用是實現清潔空氣的一個顯著進步。同樣清楚的是，目前的COF-999可能是研究者認為將會有一大類具有堅固框架骨架的材料的首批成員之一，研究者預計這些材料將很好地服務于碳捕獲的一般目的。

通過應用這一策略，其他網狀結構將不得不設計，檢查和比較COF-999，以進一步提高容量和性能。與此同時，這種COF的可擴展性和實用器件的設計，將是未來實現這些材料的重要優先事項。