一项针对潜力材料的物理探测，精准揭示了其锁定二氧化碳的机制。

随着各行业寻求碳捕集的创新解决方案，科学家们开始研究能高效捕获并存储工业排放中二氧化碳（CO₂）的先进材料。由德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心（HZDR）、德累斯顿工业大学（TUD）与波兰卢布林居里-斯克沃多夫斯卡大学组成的团队，近日对锌基金属有机框架材料CALF-20的气体吸附物理特性进行了深入研究。通过组合运用多种先进技术，科学家们在《Small》期刊（DOI: 10.1002/smll.202500544）上报告了该材料在不同条件下独特的自适应能力。研究凸显了CALF-20在高效捕获CO₂的同时能抵抗水分干扰的特性——这正是碳捕集材料普遍面临的难题。
CO₂捕集技术依赖能选择性捕获气流中温室气体且能耗最低的材料。传统吸附剂如活性炭和沸石，往往存在高能耗或潮湿环境下选择性差的问题。相比之下，CALF-20凭借其高CO₂吸附量、温和的吸附与再生热脱颖而出。在中等湿度条件下，它通过优先吸附CO₂而非水分子保持高选择性。与其他被广泛研究的类似化合物相比，CALF-20在此类条件下不仅能更有效捕获CO₂，且吸水量更少。所有这些金属有机框架材料都具有多孔特性，由金属-氧簇通过有机化学分子柱以结构化方式连接构成，形成类似厨房海绵孔隙的三维空腔网络。
“本研究采用多维度方法探究CALF-20的CO₂吸附行为。通过结合正电子湮灭寿命谱（PALS）、原位粉末X射线衍射（PXRD）及气体吸附实验，我们成功可视化了不同温湿度条件下CO₂分子与材料内部结构的相互作用。这些发现为优化实际工业环境中的碳捕集技术提供了重要依据。”HZDR辐射物理研究所的Ahmed Attallah博士解释道。

吸附机制的深度解析

“PALS技术在分析气体与多孔材料相互作用方面具有关键作用。该技术通过测量正电子素（电子与正电子的束缚态）的寿命来探测局部自由体积的变化。在CALF-20等多孔材料中，正电子素寿命能指示孔隙大小及其被气体分子填充时的动态变化。”卢布林居里-斯克沃多夫斯卡大学的Radosław Zaleski教授指出。
通过PALS技术，研究人员观察到CO₂最初聚集在CALF-20纳米孔中心形成有序排列，随后才附着于孔壁。这一过程与CO₂压力增加相关，证实PALS能实时追踪分子吸附步骤。该技术还发现即使CO₂填满孔隙后，仍存在微小自由体积，这对提升吸附效率可能至关重要。
PALS在区分CO₂与水分子在材料内的相互作用方面尤为有效。湿度实验数据显示，低湿度时水分子形成孤立簇团，而高湿度时则形成互联网络。“这些结构变化会影响孔隙可及性，但CALF-20在相对湿度低于40%时仍能保持显著CO₂吸附能力。传统气体吸附方法难以解析这种细微结构变化，凸显了PALS在动态气固相互作用分析中的独特价值。”TUD的Stefan Kaskel教授总结道。

湿度影响：碳捕集的关键挑战

工业应用中的CO₂捕集很少在干燥气流中进行——几乎总是存在水分。这对多数材料构成挑战，因为水分子会与CO₂竞争吸附位点，降低捕集效率。
通过原位湿度控制实验，团队发现CALF-20即使在水分子存在时仍能保持稳定的CO₂吸附性能，其稳健性由相对湿度水平决定。低湿度时，水分子以孤立形态存在于框架中；高湿度时则形成互联氢键网络。虽然网络形成会改变材料自由体积，但CO₂仍能找到可用吸附位点，证明了CALF-20在潮湿环境下的适应性。
通过将PALS与其他表征技术结合，本研究全面揭示了CALF-20在不同环境条件下的碳捕集机制。结果表明CALF-20可成为工业碳捕集的规模化节能解决方案，尤其在湿度构成挑战的场景中。由卡尔加里大学研发的CALF-20目前已实现公斤级量产，展现出强大的实际应用潜力。
这项研究的价值超越基础科学范畴——这些发现为优化下一代金属有机框架材料在大规模碳捕集与封存（CCS）中的应用铺平道路。后续研究将聚焦材料长期稳定性与工艺集成，推动CALF-20在工业碳减排战略中的实施。
消息来源：HZDR

本资讯是由“中欧世界展会网”工作人员翻译整理，我们一家汇集全球展会时间地点资讯的服务平台，为客户提供：展位预定，参观服务，设计搭建等服务，欢迎您的来电：400-837-8606 （24小时）接听！