研究背景

开发一种能够从空气中高效捕获CO2的材料，对于应对气候变化和实现碳中和目标具有重要意义。这种材料具备高选择性、大容量和快速动力学，这些特性需要在低CO2浓度（约400ppm）下实现。此外，还必须在O2和H2O等其他空气成分存在的情况下，以低再生温度和高循环稳定性运行。目前，液体碱性溶液、金属有机框架（MOFs）和SiO2负载的胺类化合物是直接空气捕获（DAC）应用的潜在候选材料。

然而，尽管这些材料有前景，但液体溶液仍面临其能源密集型再生和毒性的挑战，而对MOFs和SiO2负载的胺，在循环过程中胺的水解和损失仍然是一个持续存在的问题。为了提高CO2的物理吸附能力，利用网状化学的设计原理，合成了胺官能化共价有机框架（COFs），用于从气体混合物中分离CO2（典型CO2浓度大于10%）。然而，为了在实际空气中直接捕获CO2，需要在更稳定的骨架中加入更强的化学吸附位点。

研究成果

近日，美国加州大学伯克利分校Omar M. Yaghi、德国柏林洪堡大学Joachim Sauer合作报道了一种具有烯烃键的多孔晶体共价有机框架（COF），并通过共价连接胺引发剂进行了后合成改性，以在孔内生成多胺结构。这种COF（称为COF-999）展现出了在露天环境下直接捕获CO2的卓越能力。COF-999在干燥条件下的容量为0.96mmol·g-1，而在相对湿度50%、CO2浓度400ppm下，容量为2.05mmol·g-1。更为重要的是，这种COF在加利福尼亚州伯克利的露天环境中经过了100多次吸附-解吸循环测试后，其性能依然保持不变。COF-999具有循环稳定性、易于吸收CO2（18.8min内达到一半容量）和低再生温度（60°C），使其成为从大气中捕获CO2的理想材料。

相关研究工作以“Carbon dioxide capture from open air using covalent organic frameworks”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

研究内容

这项研究设计了一种多孔的结晶COF（称为COF-999），它在50%相对湿度（RH）下从含有400ppm CO2的空气中选择性捕获2.05mmol CO2/g。通过在露天环境中运行20天，进行100次CO2吸附-解吸温度摆动循环（环境温度至60°C），显示这种COF的循环稳定性，展示了这种COF的循环稳定性，其吸附容量和性能均未下降。COF-999在DAC应用中超越了目前最先进的材料，为这类新兴材料的分子设计和最终部署提供了广泛的机会。

图1. COF-999的设计策略和合成

图2. COF-999系列的表征

图3. COF-999的热力学和动力学气体吸附研究

图4. 露天捕获CO2

结论与展望

这项研究展示了具有烯烃连接骨架和共价连接吸附位点的COFs可作为从空气中捕获CO2的优良材料，同时展现出超高的化学稳定性。研究表明，这种露天应用是实现清洁空气的显著进步。显然，当前的COF-999可能是这一大类具有强大框架骨架的材料的首批成员之一，预计该类材料在碳捕获领域具有广泛的应用前景。通过应用这一策略，未来需致力于设计并评估其他网状结构，并将其与COF-999进行比较，以进一步提高容量和性能。与此同时，这种COF的可扩展性和实用设备的设计，将是实现这些材料未来应用的关键优先任务。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08080-x