MAF-stu-1：金属-有机框架材料捕获二氧化碳的最优选择

二氧化碳排放过多是导致全球气候变暖的主要原因之一。作为我国节能减排政策的重要举措，二氧化碳捕获是解决排放问题其中最重要的环节之一。近十年来，金属-有机框架（MOF）材料在捕获二氧化碳方面展现出独特优势。然而研究发现获得高的吸附量/选择性和低的再生能耗，通常互为竞争关系—取得两者之间的平衡，一直是具有挑战性的科学问题。

金属唑类框架（MAF）是一类结构多样、稳定性较高的MOF材料。自从我国化学家发现与SOD型沸石同拓扑的金属-咪唑类框架（即后来著名的ZIF-8，也称为MAF-4）以来，类沸石型MAF材料引起了化学家和材料学家的极大兴趣，已在材料商业化和膜分离等方面取得重大进展。

基于长期的研究兴趣，最近，汕头大学黄晓春教授（点击查看介绍）课题组开发出一种具有超高稳定性且呈现最优二氧化碳捕获能力的MAF材料，称为MAF-stu-1（如上图所示，该材料能以“结合口袋”捕获单个二氧化碳分子）。所设计的咪唑衍生物配体，因其双螯合配位模式的热力学稳定性优势，进一步提高了MAF材料的热稳定性和化学稳定性（尤其是水稳定性）；此外，螯合配位的动力学优势，也有利于实现材料快速大量合成，提高纯度。值得一提的是，MAF-stu-1超过了以稳定性著称的ZIF-8/MAF-4和UiO-66材料（如下左图热重分析曲线所示），取得了现有MOF材料热稳定性的新纪录。

相较于已取得巨大成功的两类用于二氧化碳捕获的MOF材料，MAF-stu-1具有以下优势：

（1）具有开放金属位点的MOF材料（如著名的MOF-74/CPO-27），通常对二氧化碳吸附量大、选择性大，但其吸附焓高，再生能耗大，尤其是当开放金属位点被有机胺（mmen-Mg₂(dobpdc)）或羟基（MAF-X25ox）修饰的情况下，吸附焓极高。MAF-stu-1的吸附量（如上右图气体吸附等温线所示）和选择性接近mmen-Mg₂(dobpdc)，且再生能耗大大低于前者。

（2）后期开发的SIFSIX-n及其相关MOF材料，则通过分子筛效应来实现二氧化碳分离，其选择性极高、再生能耗较低，但吸附量相对会打折扣。MAF-stu-1的吸附量和再生能耗指标，均优于已报道的所有SIFSIX-n系列材料，且通过填充床穿透实验证明，可有效分离燃料气（15:85 CO₂/N₂）中的二氧化碳。

综合考虑，MAF-stu-1能在室温下快速大量合成（溶剂为水及乙醇）；具有超高的热稳定性（680 ℃，在已知的MOF中最高）和化学稳定性（包括酸碱、沸水等苛刻条件）；最优地解决了二氧化碳捕获中高吸附量/选择性和低再生能耗的矛盾问题；并且可以多次循环利用。MAF-stu-1中具有独特的呈周期性排布的“结合口袋”，以类似生物蛋白“形状互补”的结合方式捕获二氧化碳，使其可以通过X射线单晶衍射直接观测。因此，MAF-stu-1是现有金属有机框架材料用于捕获二氧化碳的最优选择。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者为汕头大学硕士研究生王志烁和副研究员李冕，通讯作者为黄晓春教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

An Ultrastable Metal Azolate Framework with Binding Pockets for Optimal Carbon Dioxide Capture

Zhi-Shuo Wang, Mian Li, Yun-Lei Peng, Zhenjie Zhang, Wei Chen, Xiao-Chun Huang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16071-16076, DOI: 10.1002/anie.201909046

导师介绍

黄晓春教授：博士生导师，现任汕头大学科研处处长、广东省有序结构材料的制备与应用重点实验室主任。研究方向为功能配合物合成及应用，主要研究兴趣为光功能配合物的发光调控及多孔配位聚合物对小分子或药物的气相液相分离应用。近年来，在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等SCI收录的国内外权威学术刊物上发表论文73篇，论文已被他引超过5000次，H因子36。2007年获得国家自然科学奖二等奖（第四完成人），2009年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2013年受聘广东省珠江学者特聘教授，2014年获得广东省科学技术奖一等奖（第二完成人）。先后主持1项973计划课题，3项国家自然科学基金项目及多项省部级研究项目。

https://www.x-mol.com/university/faculty/23850