Повышение способности ЗИФ поглощать CO2

May 31, 2024

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 17584 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Металлоорганические каркасы (МОФ) и цеолитовые имидазолатные каркасы (ЗИФ) являются перспективными пористыми материалами для адсорбции и хранения парниковых газов, особенно CO2. В этом исследовании, руководствуясь фазовой диаграммой CO2, мы изучаем поведение адсорбции твердого CO2, загруженного каркасом ZIF-8, путем нагревания образца под высоким давлением, что приводит к резкому улучшению поглощения CO2. Поведение CO2 в условиях одновременной высокой температуры (T) и давления (P) напрямую контролируется с помощью FTIR-спектроскопии in situ. Наблюдаемое заметное улучшение способности к адсорбции CO2 можно объяснить синергетическим эффектом высоких T и P: высокая температура значительно усиливает транспортные свойства твердого CO2, облегчая его диффузию в каркас; Высокое давление эффективно изменяет размер и форму пор за счет изменения ориентации линкера и создания новых центров адсорбции внутри ZIF-8. Таким образом, наше исследование дает важную новую информацию о возможности настройки и улучшения способности к адсорбции CO2 в MOF/ZIF с использованием сочетания давления и температуры в качестве синергетического подхода.

Для решения проблем, связанных с глобальным потеплением, улавливание и хранение парниковых газов и особенно углекислого газа имеет фундаментальное значение. По сравнению с низкоэнергетическими методами, основанными на хемосорбции, все большее внимание привлекают твердые физисорбентные материалы, такие как активированные угли, цеолиты, металлоорганические каркасы (МОФ) и цеолитовые имидазолатные каркасы (ЗИФ), которые имеют меньшую теплоемкость и требуют меньшей энергии регенерации. внимание. В частности, MOF и ZIF как подкласс MOF стали перспективными пористыми материалами для улавливания и хранения парниковых газов. Эти материалы обладают уникальными свойствами, такими как очень большая площадь поверхности, четко выраженная пористость, высокая химическая и структурная стабильность, а также модульность и регулируемый размер пор/функциональность1,2. Все эти свойства представляют собой замечательный потенциал для достижения оптимальных показателей улавливания и хранения CO2. В большом семействе ZIF ZIF-8 [Zn(MeIm)2, MeIm = 2-метилимидазолат] является наиболее известным членом. ZIF-8 построен путем тетраэдрического соединения каждого иона цинка с четырьмя отдельными метилимидазолатными лигандами. Он имеет топологию содалита (SOD), содержащую клетки диаметром 11,6 Å и апертуру клетки 3,4 Å (дополнительный рисунок S1)3. Эти специфические параметры позволяют ZIF-8 проявлять превосходную адсорбционную способность по отношению к небольшим молекулам газа с соответствующими кинетическими диаметрами4, чьи структурные свойства и эффективность адсорбции газа, включая CO2, были тщательно изучены в последнее десятилетие в условиях окружающей среды, при высоких внешних давлениях и при низких температурах. экспериментальные и вычислительные методы5,6,7,8.

Недавние исследования эффекта давления в различных классах MOF представляют особый интерес, которые выявили весьма разнообразное структурное поведение9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20. Среди них широко исследовались ZIF и особенно ZIF-8, находящиеся под высоким внешним давлением21,22,23,24,25,26,27,28. Что еще более важно, несколько исследований показали, что применение высокого внешнего давления может эффективно регулировать возможности хранения CO2 в MOF/ZIF8,29,30,31,32. Это связано с тем, что внешнее давление может изменить топологию каркаса MOF/ZIF, изменить размер и форму пор, усилить взаимодействие «хозяин-гость» между каркасом и адсорбированным CO2 и даже создать новые центры адсорбции, что приводит к увеличению способности к адсорбции CO2. Однако при комнатной температуре затвердевание СО2 происходит при давлении выше 0,6 ГПа33. Этот фазовый переход CO2 серьезно ограничивает дальнейшее внедрение CO2 в полости ЗИФ-8 при более высоких давлениях, поскольку твердый CO2 неподвижен и не диффундирует. Решить эту проблему можно, если смесь твердого СО2 и ЗИФ-8 нагреть до температуры, при которой твердый СО2, находящийся вне ЗИФ-8, мобилизуется, так что в каркас ЗИФ можно втиснуть значительно большее количество молекул СО2. давление. Что еще более важно, подробная информация о структуре, стабильности давления и температуры, а также свойствах адсорбции CO2 в ZIF-8, установленная в предыдущих исследованиях, позволяет понять возможное синергетическое влияние высоких P и высоких температур на адсорбцию CO2 в ZIF-8. В этой работе, используя фазовую диаграмму CO233 в качестве руководства и ИК-спектроскопию in situ в качестве инструмента, мы исследовали поведение ZIF-8 при адсорбции CO2 в ячейке с алмазными наковальнями (DAC) путем одновременного применения высокой температуры и давления. Насколько нам известно, это первый отчет, в котором исследуется поведение потребления CO2 в условиях одновременного высокого P и высокого T для MOF и особенно для ZIF-8. Наши результаты ясно показывают, что в тщательно контролируемых условиях высокого P-T поглощение CO2 ZIF-8 резко увеличивается, что делает его многообещающим материалом для хранения CO2.