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研究背景

碳捕獲技術是應對全球變暖的重要策略，尤其是在減少工業廢氣中的二氧化碳（CO₂）排放方面具有巨大潛力。水溶性胺類溶液是目前應用最廣泛的CO₂捕獲技術，但其在高溫環境下的低反應效率以及高熱容量、腐蝕性和揮發性限制了其大規模應用。此外，許多工業廢氣流的溫度通常高于200°C，這要求在CO₂捕獲前先將廢氣冷卻，增加了資本和運營成本。相比之下，高溫下的CO₂捕獲能夠避免冷卻步驟，降低成本，并有望回收過程中釋放的熱量。盡管金屬氧化物吸附劑在高溫下表現出一定的CO₂吸附性能，但在長時間循環中容易失活，限制了其應用。

成果簡介

為了解決這一問題，加利福尼亞大學伯克利分校Jeffrey R. Long團隊在Science期刊上發表了題為“High-temperature carbon dioxide capture in a porous material with terminal zinc hydride sites”的最新論文。該團隊設計了一種具有終端鋅氫化物位點的金屬有機框架（MOF）材料，能夠在200°C至400°C的高溫條件下可逆地吸附CO₂。通過氣體吸附、結構表征、光譜分析和計算模擬，團隊揭示了該材料在高溫下快速可逆地捕獲CO₂并轉化為鋅甲酸鹽的機制。

與傳統的MOF材料相比，這種新型MOF在高溫下展現出了優異的CO₂吸附能力，并能在長時間循環中保持穩定性。這一發現不僅為高溫下的CO₂捕獲提供了新材料選擇，也為后燃CO₂捕集技術的實際應用提供了理論依據和技術路徑。

研究亮點

1. 實驗首次發現鋅氫化物位點能夠高效捕獲高溫下的CO₂? ；

本文首次報道了金屬有機框架（MOF）ZnH-MFU-4l在200°C至400°C之間能夠可逆地吸附CO₂，并形成鋅甲酸鹽。這一過程在高溫下的表現，突破了傳統材料在較高溫度下捕獲CO₂的瓶頸，為高溫碳捕獲提供了新的思路。

2. 實驗通過金屬有機框架的鋅氫化物位點實現CO₂的快速可逆捕獲；

通過氣體吸附、結構、光譜學和計算分析，研究團隊揭示了CO₂與鋅氫化物位點的插入反應具有快速且可逆的特性。該反應在較高溫度下進行，表現出良好的反應速率和可逆性。

3. 擴展的CO₂吸附-脫附循環和突破分析驗證了材料的穩定性和高溫下的有效性；

長時間的CO₂吸附-脫附循環實驗以及突破分析表明，ZnH-MFU-4l在低CO₂濃度和高溫條件下具有極高的碳捕獲能力，能夠適應多種工業廢氣流的捕獲需求，具有廣泛的應用潛力。

圖文解讀

圖1. 在氫化鋅金屬-有機骨架metal–organic framework，MOF材料中，高溫CO₂捕獲。

圖2:? ZnH-MFU-4l高溫等壓和等溫CO₂吸附數據。

圖4. CO₂吸附和解吸動力學。

圖5 ?在Zn–H鍵中CO₂的自由能分布。

結論展望

這項研究為高溫下CO₂捕獲提供了重要的科學啟示。首先，ZnH-MFU-4l展示了在300°C以上的高溫條件下，能夠高效、選擇性地吸附和脫附CO₂，這為工業排放源中的CO₂捕獲提供了新的解決方案。該材料在長時間的循環測試中保持了較高的穩定性，表明其在實際應用中具有較長的使用壽命。此外，研究還揭示了CO₂插入過程中的動力學特性，通過DFT計算和實驗數據的結合，明確了吸附和脫附過程中的能量障礙和熵效應，為未來優化該類材料提供了理論依據。

最為重要的是，本研究不僅為高溫下CO₂捕獲提供了可行的技術路徑，也為金屬有機框架材料（MOFs）在高溫氣體分離領域的應用開辟了新的方向。通過設計具有特定化學反應性的MOFs，未來可能實現對其他工業氣體的高效捕獲，進而替代傳統的分離技術，降低能耗，并為應對全球氣候變化做出貢獻。這些發現為未來材料的設計和工業應用提供了寶貴的理論指導和實踐基礎。

文獻信息

Rachel C. Rohde et al. High-temperature carbon dioxide capture in a porous material with terminal zinc hydride sites.Science386,814-819(2024).

原創文章，作者：zhan1，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/11/19/85efd3d84d/

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