近日，美国加州大学伯克利分校Omar M. Yaghi院士团队在Nature期刊发表题为「Carbon dioxide capture from open air using covalent organic frameworks」的研究论文，团队博士生周子晖为论文第一作者，德国柏林洪堡大学Joachim Sauer、Omar M. Yaghi院士为论文共同通讯作者。

DOI：10.1038/s41586-024-08080-x

研究背景

从空气中捕获CO₂为应对气候变化和实现碳中和目标提供了一种前景广阔的方法，然而目前仍缺乏一种具有高容量、快速动力学和低再生温度的耐用材料来捕获CO₂，尤其是从复杂动态的大气中捕获CO₂。

该研究合成了一种具有烯烃连接的多孔晶体共价有机骨架（COF），并对其结构进行了表征，还通过胺引发剂的共价连接对其进行了后合成修饰，从而在孔隙中产生了多胺。这种COF（称为COF-999）可以捕获露天空气中的CO₂。在干燥条件下，COF-999的捕集能力为0.96 mmol g⁻¹；在相对湿度为50%的条件下，COF-999的捕集能力为2.05 mmol g⁻¹。该COF在加州伯克利的露天环境中进行了100多次吸附-解吸循环测试，发现其性能完全保持不变。COF-999具有循环稳定性、易于吸收CO₂（18.8分钟内达到半容量）和再生温度低（60 °C）等特点，因此是从露天空气中捕获CO₂的理想材料。

研究内容

该研究策略如图1所示，将应对直接空气捕获（DAC）挑战所需的分子特性融入COF中。首先，在COF结构中使用疏水性构建单元提供了疏水孔，其可以吸附最少量的水，从而降低CO₂再生温度。其次，引发剂与框架共价结合，反过来允许多胺共价连接，防止其在循环过程中流失。事实上，引发剂被设计成具有反应性，而孔隙被有意设计得很大，这为多胺的高负载量和CO₂的便捷扩散提供了机会，而这正是实现高容量和快速循环的必要前提。第三，组成COF骨架的共价分子之间的烯烃连接提高了结构的整体热稳定性和化学稳定性，从而可以在不影响COF结构的孔隙率和完整性的情况下，实现多胺单元的后合成安装和重复CO₂循环稳定性。

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 | 从露天空气中捕获CO₂。

总结

总之，该研究展示了具有烯烃连接骨架和共价连接吸附位点的COFs如何带来超高的化学稳定性，从而成为从空气中捕获CO₂的绝佳材料。该研究表明，这种材料在露天环境中的应用是实现清洁空气的一大进步。目前的COF-999可能是具有稳健框架骨架的一大类材料的首批成员之一，研究人员期望它能很好地实现碳捕获的一般目的。通过采用这种策略，研究人员将设计、研究其他网状结构，并与COF-999进行比较，以进一步提高其容量和性能。与此同时，这种COF的可扩展性和实用器件的设计将是未来实施这些材料的重要优先事项。

作者简介

周子晖，美国加州大学伯克利分校化学系博士研究生，专注于COF、直接空气捕获、碳捕获等研究；2017-2021年本科毕业于清华大学；2021年8月至今于加州大学伯克利分校化学系攻读博士学位，导师：Omar M. Yaghi院士。

Omar M. Yaghi，美国加州大学伯克利分校教授，美国科学院院士，专注于金属有机骨架材料（MOF）、共价有机骨架材料（COF）、沸石咪唑酸酯骨架材料（ZIF）等领域研究。

--生化环材人