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【ACS AMI】用于CO2捕获的铝基MOF剂

【ACS AMI】用于CO2捕获的铝基MOF剂

发布日期:2023-10-17 来源:贝士德仪器

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全文速览

开发具有防潮能力的铝基金属有机框架(MOFs)捕获二氧化碳的一个挑战。浙江大学杨坤课题组合成的甲基功能化铝基MOF ZJU-620(Al)具有良好的化学热稳定性和1347m2/g的比表面积,是一种潜在的CO2捕获吸附剂,具有良好的回收性能,在298K1atm下的大容量可达4.25 mmol/g。二氧化碳分子主要被困在两种类型的位置上。位点I靠近AlO6簇,位点II位于两个平行苯环之间,距离为6.64 ÅZJU-620(Al)可用于CO2/N2(15/85)的分离,在273K298K时选择性分别达到107.2031.93分离因子13.68。在相对湿度为80%的条件和干燥的条件下进行穿透实验结果表明其具有良好的防潮能力。水分子占据了少量的CO2吸附位点I,但由于疏水的甲基官能团配体,它们几乎不占据CO2吸附位点II。此外,CO2可以通过与水分子的C=O···H高亲和力结合而吸附在ZJU-620(Al)表面。因此,ZJU-620(A1)CO2捕获和分离的候选吸附剂,特别是在潮湿条件下。

背景介绍

二氧化碳捕获已成为一个环境问题,因为大量的二氧化碳产生并排放到大气中,导致全球变暖和海水酸化。吸附技术以多孔固体为吸附剂,是一种低能耗、可再生的技术,可用于去除占CO2排放量绝大部分的发电厂等排放源中的CO2。然而,在实际应用中,吸附剂对CO2的吸附存在一些问题,如化学-热稳定性、干湿条件下对CO2的吸附以及CO2/N2混合物中CO2的选择性等。
金属-有机框架(MOFs)作为一类新型多孔固体,由于其可改变的孔结构和表面功能,已被用于二氧化碳捕获。然而,由于金属-氧配位键较弱,一些MOF的结构对无处不在的水蒸气也很敏感,限制了它们的实际应用。此外,MOFCO2的吸附位点被水分子占据,导致CO2吸附明显减少。铝基MOFs由于Al3+与配体的O原子形成强配位键而具有优异的稳定性。此外,配体的甲基不仅可以通过增加配体O原子的电子密度来增强Al−O配位键的强度,而且由于其疏水性,还可以减少对水的吸附。因此,甲基功能化铝基MOF可以成为潮湿条件下二氧化碳捕获应用的潜在候选物。

图文解析

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要点:1a显示1atm下,ZJU-620(Al)273 K时的CO2吸附量为6.02 mmol/g,在298 K时的CO2吸附量为4.25 mmol/gZJU-620(Al)273 K298 K时,CO2的吸附量分别是N26.92倍和11.18倍,具有优异的CO2/N2分离能力。图1b显示ZJU-620(Al)298K101kPa下的CO2吸附量大于大多数报道的多孔材料,如3D石墨烯(2.28 mmol/g)、沸石-13X(1.65 mmol/g)PAF-48 (2.02 mmol/g)、 PCN-250(Fe3) (3.02 mmol/g)MIL-100(Cr) (2.45 mmol/g)、和CAlF-20 (4.07 mmol/g)ZJU-620(Al)具有优异的CO2吸附性能,可归因于其1347 m2 /g的高比表面积和0.74 ~ 1.02 nm范围内合适的孔径,与CO2分子形成了较强的亲和力。

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要点:图2a2b显示,通过GCMC模拟,ZJU-620(Al)上存在两种类型的CO2吸附位点,即靠近AlO6簇的位点ITMTA配体的两个平行芳香环之间的位点II。计算得到的ZJU-620(Al)CO2势场的切片表明,CO2分子更倾向于吸附在位点II(2a),特别是在低压下,这可能是由于CO2的高亨利系数随着压力的增加,CO2分子吸附在位点I(2b),这是因为CO2分子通过弱O···CCO2 vdW相互作用与来自AlO6簇的氧原子相互作用。图2c表明两个平行芳香环之间的理想吸附距离(Dpar)约为6.64 Å,因为在Dpar6.64 ÅCO2的吸附量高于其他距离。ZJU-620(Al)具有优异的CO2吸附能力,很大程度上归因于平行芳香环之间额外的CO2吸附位点II

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要点:通过IAST模型计算,ZJU-620(Al)CO2/N2(15/85)混合物的吸附选择性随着压力的增加而降低(3a)ZJU-620(Al)273 K298 K下对CO2/N2(15/85)的选择性分别为107.2031.93CO2/N2(15/85)混合物的穿透性实验进一步证明,ZJU-620(Al)由于吸附固定床的N2洗脱,具有优异的CO2/N2分离能力,且纯度较高(3b)当相对湿度从0增加到80%时,ZJU-620(Al)CO2 穿透时间变化不大(145.20 s降低到141.50 s), CO2吸附动态变化也不大,具有优异的防潮能力。CO2/N2穿透曲线可知,ZJU-620(Al)CO2/N2(15/85)混合物的分离因子为13.68这些结果表明,ZJU-620(Al)是一种潜在的吸附CO2/N2混合物中CO2的吸附剂。

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要点:图4a的水蒸气吸附等温线表明ZJU-620(Al)优异的防潮能力是因为其疏水性,在P/P0=0.70之前,吸水量小于0.55 mmol/g,属于低压区吸水量很低的V型等温线。图4bPXRD图也证实了ZJU-620(Al)框架具有优异的湿稳定性,在80% RH条件下,合成的ZJU-620(Al)与动态吸附实验后的ZJU-620(Al)样品无明显差异。

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要点:在100kPa的水势场中观察到(5a),水分子在AlO6团簇附近被大量吸附。由于TMTA配体的疏水甲基,水分子几乎没有占据ZJU-620(Al)上可用于CO2吸附的位点II(5a),与计算的CO2势场切片(2a)相比,这解释了ZJU-620(Al)具有高达80% RH的出色CO2吸附(3b)通过GCMC模拟ZJU-620(Al)298 K1 atmCO2和水的多组分竞争吸附,可以观察到每个CO2分子在位点I通过O··CCO2 vdW相互作用与AlO6簇相互作用,距离为3.53−3.54 Å(5b,蓝线),而在位点II通过范德华(vdW)相互作用与平行苯环相互作用,距离为3.31−3.57 Å(5c,绿线)。水分子通过极性相互作用优先与AlO6簇配合,距离为4.15 Å(5b,橙色线),在高压下会占据少量CO2吸附位点。此外,吸附的水分子可以通过距离为2.75 ÅC=O···H与二氧化碳分子相互作用(图5b,紫色线),促进框架对二氧化碳的吸附亲和力。因此,ZJU-620(Al)具有优异的防潮能力和对CO2分子的吸附亲和力。

总结与展望

ZJU-620(Al)的比表面积为1347 m2 /g,具有良好的可回收性,在298 K1 atm下的CO2吸附剂吸附性为4.25 mmol/g,高于大多数报道的多孔材料。GCMC模拟结果表明,ZJU-620(Al)具有两种类型的CO2吸附位点,位点I靠近AlO6簇,位点II位于两个平行苯环之间,距离约为6.64 ÅZJU-620(Al)还表现出优异的CO2/N2(15/85)分离性能,273 K298 K的选择性分别为107.2031.93,分离因子为13.68。具有优良的防潮能力,最高可达80% RH。这项工作强调了ZJU-620(Al)在潮湿条件下捕获二氧化碳的可行性。

Linkhttps://doi.org/10.1021/acsami.3c10086

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贝士德 吸附表征 全系列测试方案

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1、填写《在线送样单》

2、测样、送检咨询:杨老师13810512843(同微信)

3、采购仪器后,测试费可以抵消部分仪器款

【ACS AMI】用于CO2捕获的铝基MOF剂

发布日期:2023-10-17 来源:贝士德仪器

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开发具有防潮能力的铝基金属有机框架(MOFs)捕获二氧化碳的一个挑战。浙江大学杨坤课题组合成的甲基功能化铝基MOF ZJU-620(Al)具有良好的化学热稳定性和1347m2/g的比表面积,是一种潜在的CO2捕获吸附剂,具有良好的回收性能,在298K1atm下的大容量可达4.25 mmol/g。二氧化碳分子主要被困在两种类型的位置上。位点I靠近AlO6簇,位点II位于两个平行苯环之间,距离为6.64 ÅZJU-620(Al)可用于CO2/N2(15/85)的分离,在273K298K时选择性分别达到107.2031.93分离因子13.68。在相对湿度为80%的条件和干燥的条件下进行穿透实验结果表明其具有良好的防潮能力。水分子占据了少量的CO2吸附位点I,但由于疏水的甲基官能团配体,它们几乎不占据CO2吸附位点II。此外,CO2可以通过与水分子的C=O···H高亲和力结合而吸附在ZJU-620(Al)表面。因此,ZJU-620(A1)CO2捕获和分离的候选吸附剂,特别是在潮湿条件下。

背景介绍

二氧化碳捕获已成为一个环境问题,因为大量的二氧化碳产生并排放到大气中,导致全球变暖和海水酸化。吸附技术以多孔固体为吸附剂,是一种低能耗、可再生的技术,可用于去除占CO2排放量绝大部分的发电厂等排放源中的CO2。然而,在实际应用中,吸附剂对CO2的吸附存在一些问题,如化学-热稳定性、干湿条件下对CO2的吸附以及CO2/N2混合物中CO2的选择性等。
金属-有机框架(MOFs)作为一类新型多孔固体,由于其可改变的孔结构和表面功能,已被用于二氧化碳捕获。然而,由于金属-氧配位键较弱,一些MOF的结构对无处不在的水蒸气也很敏感,限制了它们的实际应用。此外,MOFCO2的吸附位点被水分子占据,导致CO2吸附明显减少。铝基MOFs由于Al3+与配体的O原子形成强配位键而具有优异的稳定性。此外,配体的甲基不仅可以通过增加配体O原子的电子密度来增强Al−O配位键的强度,而且由于其疏水性,还可以减少对水的吸附。因此,甲基功能化铝基MOF可以成为潮湿条件下二氧化碳捕获应用的潜在候选物。

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要点:1a显示1atm下,ZJU-620(Al)273 K时的CO2吸附量为6.02 mmol/g,在298 K时的CO2吸附量为4.25 mmol/gZJU-620(Al)273 K298 K时,CO2的吸附量分别是N26.92倍和11.18倍,具有优异的CO2/N2分离能力。图1b显示ZJU-620(Al)298K101kPa下的CO2吸附量大于大多数报道的多孔材料,如3D石墨烯(2.28 mmol/g)、沸石-13X(1.65 mmol/g)PAF-48 (2.02 mmol/g)、 PCN-250(Fe3) (3.02 mmol/g)MIL-100(Cr) (2.45 mmol/g)、和CAlF-20 (4.07 mmol/g)ZJU-620(Al)具有优异的CO2吸附性能,可归因于其1347 m2 /g的高比表面积和0.74 ~ 1.02 nm范围内合适的孔径,与CO2分子形成了较强的亲和力。

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要点:图2a2b显示,通过GCMC模拟,ZJU-620(Al)上存在两种类型的CO2吸附位点,即靠近AlO6簇的位点ITMTA配体的两个平行芳香环之间的位点II。计算得到的ZJU-620(Al)CO2势场的切片表明,CO2分子更倾向于吸附在位点II(2a),特别是在低压下,这可能是由于CO2的高亨利系数随着压力的增加,CO2分子吸附在位点I(2b),这是因为CO2分子通过弱O···CCO2 vdW相互作用与来自AlO6簇的氧原子相互作用。图2c表明两个平行芳香环之间的理想吸附距离(Dpar)约为6.64 Å,因为在Dpar6.64 ÅCO2的吸附量高于其他距离。ZJU-620(Al)具有优异的CO2吸附能力,很大程度上归因于平行芳香环之间额外的CO2吸附位点II

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要点:通过IAST模型计算,ZJU-620(Al)CO2/N2(15/85)混合物的吸附选择性随着压力的增加而降低(3a)ZJU-620(Al)273 K298 K下对CO2/N2(15/85)的选择性分别为107.2031.93CO2/N2(15/85)混合物的穿透性实验进一步证明,ZJU-620(Al)由于吸附固定床的N2洗脱,具有优异的CO2/N2分离能力,且纯度较高(3b)当相对湿度从0增加到80%时,ZJU-620(Al)CO2 穿透时间变化不大(145.20 s降低到141.50 s), CO2吸附动态变化也不大,具有优异的防潮能力。CO2/N2穿透曲线可知,ZJU-620(Al)CO2/N2(15/85)混合物的分离因子为13.68这些结果表明,ZJU-620(Al)是一种潜在的吸附CO2/N2混合物中CO2的吸附剂。

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要点:图4a的水蒸气吸附等温线表明ZJU-620(Al)优异的防潮能力是因为其疏水性,在P/P0=0.70之前,吸水量小于0.55 mmol/g,属于低压区吸水量很低的V型等温线。图4bPXRD图也证实了ZJU-620(Al)框架具有优异的湿稳定性,在80% RH条件下,合成的ZJU-620(Al)与动态吸附实验后的ZJU-620(Al)样品无明显差异。

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要点:在100kPa的水势场中观察到(5a),水分子在AlO6团簇附近被大量吸附。由于TMTA配体的疏水甲基,水分子几乎没有占据ZJU-620(Al)上可用于CO2吸附的位点II(5a),与计算的CO2势场切片(2a)相比,这解释了ZJU-620(Al)具有高达80% RH的出色CO2吸附(3b)通过GCMC模拟ZJU-620(Al)298 K1 atmCO2和水的多组分竞争吸附,可以观察到每个CO2分子在位点I通过O··CCO2 vdW相互作用与AlO6簇相互作用,距离为3.53−3.54 Å(5b,蓝线),而在位点II通过范德华(vdW)相互作用与平行苯环相互作用,距离为3.31−3.57 Å(5c,绿线)。水分子通过极性相互作用优先与AlO6簇配合,距离为4.15 Å(5b,橙色线),在高压下会占据少量CO2吸附位点。此外,吸附的水分子可以通过距离为2.75 ÅC=O···H与二氧化碳分子相互作用(图5b,紫色线),促进框架对二氧化碳的吸附亲和力。因此,ZJU-620(Al)具有优异的防潮能力和对CO2分子的吸附亲和力。

总结与展望

ZJU-620(Al)的比表面积为1347 m2 /g,具有良好的可回收性,在298 K1 atm下的CO2吸附剂吸附性为4.25 mmol/g,高于大多数报道的多孔材料。GCMC模拟结果表明,ZJU-620(Al)具有两种类型的CO2吸附位点,位点I靠近AlO6簇,位点II位于两个平行苯环之间,距离约为6.64 ÅZJU-620(Al)还表现出优异的CO2/N2(15/85)分离性能,273 K298 K的选择性分别为107.2031.93,分离因子为13.68。具有优良的防潮能力,最高可达80% RH。这项工作强调了ZJU-620(Al)在潮湿条件下捕获二氧化碳的可行性。

Linkhttps://doi.org/10.1021/acsami.3c10086

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2、测样、送检咨询:杨老师13810512843(同微信)

3、采购仪器后,测试费可以抵消部分仪器款