化学工程课题｜二氧化碳的捕手——金属有机框架材料

1900年至2020年间的一百二十年

全球每年的碳排放量增长至少15倍

IPCC 发布

《全球1.5℃温升特别 告》指出

“只有在21世纪中叶实现

全球范围内的碳中和目标

才有可能将全球变温幅度

控制在1.5℃以内

从而减缓气候变化所带来的

极端危害

二氧化碳捕集与封存技术(CCS)

是通过碳捕捉技术

将工业和能源产业

所生产的二氧化碳分离出来

再进行碳储存，简单地封存起来

而碳捕获利用和封存技术（CCUS）

是CCS技术的新发展趋势

先对生产过程中排放的

二氧化碳进行提纯

继而投入到新的生产过程中

循环再利用

CCUS是实现大规模化石能源

低碳利用的唯一技术

也是大规模减少温室气体排放

最经济可行的方法

不论CCS技术还是CCUS技术

第一步都需要将排放的CO2捕集

现有的CO2捕集技术

主要分为化学吸收法、膜分离法

和吸附法三大类

其中，化学吸收法技术发展最成熟

但由于吸附剂再生能耗高

设备易腐蚀

很大程度限制了其广泛应用

膜分离法则存在

分离驱动力小和易污染等缺点

由于再生能耗小

稳定性高、操作简单

吸附法在CO2吸附分离

具有广泛应用前景

而具有高比表面积等优点的

多孔材料

成为最具潜力的CO2吸附材料

其中，金属有机框架材料（MOFs）

更为灵活多样

通过精准控制MOFs的组装过程、

调节尺寸大小

在MOFs孔隙中引入不同

功能性官能团

能够获得结构多样、性能优异的

CO2吸附材料

因此成为重要的研究方向

湾区博士邀请来自某985高校的Z博士开设化学工程学课题《“双碳”目标下的二氧化碳该何去何从》，首先从MOFs材料合成的单体出发，包括金属配体和有机连接单元，了解单体的物理化学性质、结构特点，深入理解MOFs材料的合成机理，以及所得到的MOFs的结构和形貌特点，在此基础上学习MOFs改性方式，理解目前研究中常用的改性方法和改性原理，认识改性对材料的分子结构和宏观性能的影响。

本课题邀请对化学工程与技术、材料学、可持续发展等领域感兴趣的学生参与研究。与Z博士一起深度交流，从乏味的日常学习中脱身而出，迈进真正的学术殿堂，驰骋在星辰大海的壮阔世界。

课题内容

第一阶段：领域背景知识

通过阅读国内外 献，学习MOFs的基本概念和相关理论知识，了解MOFs的发展历程和前沿进展。

第二阶段： 献调研

学会根据关键词自主查阅所需的相关 献，深入学习制备MOFs材料所需的金属配体和有机连接单元，理解MOFs合成原理和结构特点。

第三阶段：功能化修饰

总结不同结构特点MOFs的分子设计原则，在此基础上学习功能化修饰设计，从而提高材料的CO2吸附性能。

第四阶段：结构 告设计与撰写

学习中英 科技 献的写作思路和格式，设计具有高CO2吸附性能的功能化MOFs材料，在结题 告中设计其可行的合成路线，并解释原因。

课题导师

Z博士

工学博士，某双一流高校化学工程与技术专业

发表数篇SCI论

[1] 维基百科：关于MOFs的介绍。

[2] Yaghi课题组关于MOFs的研究。

[3] FURUKAWA H, CORDOVA K E, O’KEEFFE M, et al. The chemistry and applications of metal-organic frameworks[J]. Science, 2013, 341(6149): 1230444.

[4] Park K S, Ni Z, Cote A P, et al. Exceptional chemical and thermal stability of zeolitic imidazolate frameworks[J]. PNAS, 2006, 103: 10186-10191.

[5] Morris R V, Ruff S W, Gellert R, et al. Ultrahigh Porosity in Metal-Organic Frameworks[J]. Science, 2010, 329: 424-428.

[6] Zhu J, Wu L, Bu Z, Jie S, Li BG. Polyethyleneimine-Modified UiO-66-NH2 (Zr) Metal-Organic Frameworks: Preparation and Enhanced CO2 Selective Adsorption. ACS Omega. 2019 Feb;4(2):3188-3197.

[7] FURUKAWA H, CORDOVA K E, O’KEEFFE M, et al. The chemistry and applications of metal-organic frameworks[J]. Science, 2013, 341(6149): 1230444.

[8] DEGAGA G D. Physicochemical, Spectroscopic Properties, and Diffusion Mechanisms of Small Hydrocarbon Molecules in MOF-74-Mg/Zn: A Quantum Chemical Investigation[D]. Michigan Technological University, 2018.

[9] HERM Z R, SWISHER J A, SMIT B, et al. Metal-organic frameworks as adsorbents for hydrogen purification and precombustion carbon dioxide capture[J]. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(15): 5664-5667.

[10] GAIKWAD S, KIM Y, GAIKWAD R, et al. Enhanced CO2 capture capacity of amine-functionalized MOF-177 metal organic framework[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2021, 9(4): 105523.

拓展阅读

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