中国化学会第32届学术年会
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金属三氮唑框架的化学稳定性与烟道气碳捕集应用
师兆麟 章跃标*

分会

第三十六分会: 多孔功能材料

摘要

为应对全球气候变迁,《巴黎协定》达成了CO2减排的约束性政府间协议,设定了至2030年1.5 ℃的温控目标。中国政府承诺到2030年碳排放达到峰值,单位国内生产总值CO2排放较2005年下降60%-65%。大规模碳捕集是应对全球气候变迁最重要的解决方案之一。我国火力发电为全国提供了约70%的电能,其大量排放的烟道气(典型组成:75% N2, 15% CO2, 5% H2O, 3−4% O2, 800 ppm SO2以及500 ppm NOx)一般具有高湿度及高酸度,会造成多孔吸附材料的结构破坏,吸附位点抢占和再生能耗提高等问题,因此,构建可耐酸耐水的多孔吸附材料具有实际的应用价值,而在分子级别上理解和阐明其结构设计原理和竞争吸附机制具有重要的科学意义。与常用的构建疏水孔壁的策略不同,本研究选择了由一维-(Zn-F-Zn-F)n-构筑基元与1,2,4-三氮唑构成的亲水超微孔道,研究了其对不同湿度CO2/N2的吸附分离性能,揭示了热力学条件下H2O优先吸附(H2O/CO2 IAST分离比>2000)而在动力学工况下CO2优先吸附(CO2/H2O选择性>70)反转的选择吸附行为。我们还通过第一性原理计算和分子模拟解释了共吸附的H2O增强CO2吸附的原理和吸附在孔道中间的CO2可进一步阻碍吸附位点在孔壁H2O吸附的动力学竞争机制。值得指出的是,芳香性氨基作为修饰官能团所具备的给电子效应、空间屏蔽效应和质子缓冲效应对MOF框架的热稳定性和超常化学稳定性具有正面作用,并可以精细调控材料的CO2/N2的吸附选择性和CO2/H2O的动力学选择性。得益于其超常的稳定性与温和的吸附热,该MOF材料填充柱对不同湿度的CO2/H2O混合气,以及烟道气模拟气的动态吸附穿透实验都表现稳定的吸附分离性能,并具有较低的活化能耗。研究表明,通过合理设计即使是亲水的MOF材料仍可应用于高湿度烟道气俘获并大大降低再生能耗。

关键词

碳捕集;多孔吸附剂;化学稳定性;CO2/H2O动力学分离;低能耗再生

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