你知道吗？工业烟囱排出的200℃以上高温烟气中，CO₂也能被高效捕获！我国清华大学、福州大学团队最新研究显示，锌基金属有机框架（Zn-based MOFs）材料不仅能在复杂烟气环境中稳定工作，还能在200℃以上高温下实现CO₂“捕获-转化”一体化，捕获容量达7 mmol/g，转化率超95%，为工业碳减排提供新思路。相关成果近日发表于《Frontiers of Energy》。

传统碳捕获像“拆快递”，新型材料化身“高温吸尘器”

当前全球151个国家已承诺碳中和目标，但工业烟气CO₂浓度低（约15%）、温度高（超200℃）且含酸性气体，传统胺溶液或金属氧化物吸附剂要么易腐蚀、能耗高，要么在高温下“罢工”。例如，胺溶液在100℃以上易分解，金属氧化物吸附容量不足1 mmol/g，就像“小马拉大车”，难以满足工业需求。

“Zn-MOFs就像‘定制化分子海绵’，既能‘抓住’CO₂，又能抗高温、防腐蚀。”研究团队解释，这类材料由锌离子与有机分子通过配位键构成多孔晶体，比表面积可达数千平方米/克，孔隙大小和表面活性位点可精准调控。比如CALF-20材料，其 ultramicropores（超微孔）能通过氢键和范德华力“锁住”CO₂，在模拟烟气中吸附容量达4.07 mmol/g，CO₂/N₂选择性超230，且在40%湿度下仍能优先吸附CO₂，避免水蒸汽干扰。

三大突破：抗干扰、耐高温、可转化

团队系统梳理了Zn-MOFs的技术突破，核心在于材料设计的“三连胜”：

• 抗干扰“金钟罩”：通过引入甲基等疏水基团，Zn-MOFs能在高湿度烟气中“坚守岗位”。例如改性后的CALF-20M-e，在70%湿度下仍保持20%的CO₂捕获效率，而传统MOFs在此条件下已完全失效。其秘诀是甲基基团阻断水分子形成氢键网络，让CO₂“优先通行”。
• 高温“耐热侠”：ZnH-MFU-4l材料实现了“反常”高温吸附——温度越高，吸附容量越大。在300℃时，其CO₂捕获容量达3.27 mmol/g，是室温下的3倍。这源于锌氢位点（Zn-H）在高温下更易与CO₂发生化学反应，就像“高温激活的捕碳开关”，解决了传统材料高温脱附的难题。
• 转化“多面手”：Zn-MOFs不仅能捕碳，还能将CO₂电催化转化为燃料。例如ZIF-8材料在电解液中，可将CO₂还原为甲烷，法拉第效率达65%；Zn₃(btc)₂电极在离子液体中，甲烷选择性更是高达80%，相当于“捕碳后直接变燃料”，闭环碳循环。

从实验室到工厂：还需跨过“三道坎”

尽管性能优异，Zn-MOFs规模化应用仍面临挑战：一是高温抗干扰“两难”，ZnH-MFU-4l虽耐高温，但在酸性气体中易失活；二是成本较高，目前合成依赖昂贵有机配体，CALF-20虽已实现公斤级制备，但价格仍是胺溶液的3倍；三是转化效率待提升，相比铜基MOFs，Zn-MOFs在CO₂还原反应（CO2RR）中的活性仍有差距。

团队指出，未来需通过机器学习设计“耐酸耐高温”的新型MOFs，开发低成本合成工艺，并耦合高温固体氧化物电解池（SOECs），实现“捕获-转化”全链条节能。例如，将Zn-MOFs捕集的CO₂送入SOECs，利用太阳能发电产生的绿电，可高效转化为合成气，供下游生产燃料或化学品。

来源: FIE能源前沿期刊