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MOF今日Science,通讯单位今年初刚获7500万美元融资!

Energist 能源学人 2021-12-23
第一作者:Jian-Bin Lin
通讯作者:Pierre Hovington, Arvind Rajendran, Tom K. Woo, George K.H. Shimizu
通讯单位:Svante (斯万特)公司,阿尔伯塔大学,渥太华大学,卡尔加里大学

【研究亮点】
1、提出了一种基于锌的Calgary Framework 20 (CALF-20) 金属有机骨架材料以高容量物理吸附 CO2,同时具有高选择性。可在40%的相对湿度下优先吸附 CO2,并在150°C的废气条件下保持其性能,显示出对蒸汽(> 450,000 次循环)和湿酸性气体的耐久性。
2、CALF-20可以一步制备形成复合材料,其合成规模可以达到数公斤级。

【主要内容】
化石燃料燃烧后的 CO2捕获需要从局部排放源中去除CO2,而且还需要对捕获系统进行再生和回收。捕获阶段的主要挑战包括材料设计和开发以及工艺工程。烟道气中的CO2浓度低,主要是用N2,水和酸性气体稀释。胺和溶剂系统通过将烟气与通过化学和物理吸收相结合的方式吸收CO2的液体接触。尽管这些CO2去除方法是有效的,但再生过程消耗大量能源,并且会导致化学分解。固体吸附剂代表了另一种碳捕获技术,并已在较小规模上得到证明。 固体可以通过化学或物理吸附方式吸收CO2。在大多数情况下,化学吸附材料对CO2具有更高的容量和选择性。然而,增强CO2结合的因素通常会成比例地增加再生吸附剂所需的能量,并会增强与竞争气体的结合。物理吸附性CO2捕获固体将提供更低的再生成本,但它必须在实际烟道气流中具有足够的工作能力和选择性。几乎所有类别的多孔固体都具有作为CO2捕集固体吸附剂的潜力,包括金属有机骨架 (MOF),其中的化学构件、孔径和形状、表面功能甚至有序度都可以变化以优化CO2捕集能力。

鉴于此,今年年初获得7500万美元融资的加拿大碳捕获技术-斯万特公司副总裁Pierre Hovington联合加拿大三所大学Arvind Rajendran, Tom K. Woo, George K.H. Shimizu等人提出了一种基于物理吸附机制的CALF-20金属有机骨架材料,对CO2 具有高容量和选择性。CALF-20 对蒸汽、湿酸性气体,甚至长时间暴露于天然气燃烧产生的直接烟道气中都具有非常好的稳定性。同时CALF-20从市售材料出发的单步合成法具有高度可扩展性。CALF-20吸附剂关键特点在于其低水亲和力和快速物理吸附湿气中的CO2的能力,而且 CO2的存在实际上抑制了水吸附。从而促进更快的循环、更高的生产率,并最终缩小工厂占地面积。在使用 CALF-20 的 Svante工艺中,在干燥循环中去除水分所需的能量更少,并且还具有更高的耐湿性,这使得捕获循环能够更快地重新开始。 另外,在较低CO2分压下的高吸收使 CALF-20 成为更适合温度或浓度波动过程或在高温下进行压力或真空波动的吸附剂。在碳捕获和气候变化方面,有效捕获只是减少温室气体的一个步骤。随着将更好的材料集成到先进工艺中,更多的研究项目将聚焦于MOF在CO2捕获和其他关键工艺中的应用。
Fig. 1 Single-crystal structure of CALF-20.

Fig. 2 Equilibrium gas uptake data on pure CALF-20.

Fig. 3 Most probable CO2 binding site determined from the single-component CO2 GCMC simulation at 0.15 atm.

Fig. 4 | Competitive dynamic column breakthrough (DCB) and equilibrium measurements on structured CALF-20 at 295 K and 97 kPa.

Fig. 5 | CALF-20 scalability and stability.

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Lin et al., A scalable metal-organic framework as a durable physisorbent for carbon dioxide capture. Science 374, 1464–1469 (2021). 
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi7281

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