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金属-有机骨架MOF-74系列：低浓度二氧化碳吸附捕集的关键材料与技术研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球工业化进程不断加速的当下，人类活动对自然环境的影响愈发显著，其中二氧化碳（CO_2）排放导致的全球变暖问题已成为国际社会关注的焦点。根据国际能源署（IEA）的数据，2023年全球与能源相关的CO_2排放量达到创纪录的374亿吨，较上一年增加4.1亿吨，增幅为1.1%。如此庞大的排放量使得大气中CO_2浓度持续攀升，加剧了温室效应，进而引发了一系列严重的环境问题。

全球变暖带来的影响广泛而深远。在生态系统方面，冰川加速融化，导致海平面上升，威胁着众多沿海地区和岛屿国家的生存。据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的报告，过去一个世纪以来，全球海平面平均上升了约17厘米，若全球变暖趋势得不到有效遏制，预计到2100年，海平面将上升0.26-0.98米。这将直接导致大量陆地被淹没，许多物种的栖息地遭到破坏，生物多样性面临严重威胁。在极端天气事件方面，全球变暖使得大气环流和水循环发生改变，导致暴雨、干旱、飓风等极端天气事件的频率和强度不断增加。2024年，暴雨引发的洪灾在尼泊尔、巴西和西班牙等国造成了巨大人员和财产损失，亚洲和北美地区遭到了超强台风和飓风的袭击；而在地球的另一面，非洲南部、南美亚马孙地区则遭遇严重的旱灾，导致农作物严重减产，火灾频发，河流干涸。这些极端事件不仅对人类的生命财产安全构成了直接威胁，还对全球经济发展造成了巨大冲击。

面对日益严峻的CO_2排放问题，减少CO_2排放、降低其在温室气体中的占比已成为全球共同应对气候变化、守护地球家园的关键举措。CO_2的捕集与封存技术（CCS）作为实现大规模减排的重要手段之一，受到了广泛关注。其中，吸附捕集技术以其高效、节能、环保等优势，成为研究的热点领域。在众多吸附材料中，金属-有机骨架（MOFs）材料凭借其独特的结构和优异的性能，展现出了巨大的应用潜力。

MOF-74系列材料作为MOFs材料中的重要成员，具有蜂窝状网络拓扑结构，其一维六方孔道内布满了裸露的金属离子吸附位点，这使得MOF-74对CO_2具有良好的吸附性能。相较于其他传统吸附材料，如活性炭、沸石等，MOF-74系列材料具有更高的比表面积和可调节的孔径，能够更有效地吸附CO_2分子。其独特的金属离子吸附位点与CO_2分子之间存在较强的相互作用，进一步提高了吸附效率和选择性。在工业废气处理中，MOF-74系列材料能够高效地从低浓度CO_2混合气体中捕集CO_2，实现废气的净化和资源的回收利用。

研究MOF-74系列材料吸附捕集低浓度CO_2具有重要的现实意义。从环境保护角度来看，通过高效吸附低浓度CO_2，可以显著减少CO_2的排放，缓解温室效应，保护全球生态环境。从资源利用角度出发，捕集的CO_2可以进一步转化和利用，如用于合成化学品、生产碳酸饮料、强化石油开采等，实现资源的循环利用，降低对传统化石能源的依赖。在能源领域，MOF-74系列材料的应用有助于提高能源利用效率，减少能源生产过程中的碳排放，推动能源行业的可持续发展。在化工生产中，该材料可用于净化原料气，提高产品质量，降低生产成本。

1.2国内外研究现状

近年来，随着全球对环境保护和可持续发展的关注度不断提高，CO_2的减排和捕集成为了研究的热点领域。MOF-74系列材料因其独特的结构和优异的吸附性能，在吸附捕集低浓度CO_2方面受到了国内外学者的广泛关注，取得了一系列重要的研究成果。

在国外，美国加州大学伯克利分校的JeffreyR.Long教授课题组在MOF-74系列材料的研究方面处于领先地位。他们通过对MOF-74材料的结构和性能进行深入研究，发现MOF-74中的金属离子种类和配体结构对其CO_2吸附性能有着显著影响。通过改变金属离子和配体的组合，成功合成了多种具有不同吸附性能的MOF-74衍生物，并对其吸附机理进行了详细探究。他们还研究了MOF-74材料在不同温度、压力和气体组成条件下的吸附性能，为其实际应用提供了重要的理论依据。德国马普学会的研究人员则致力于开发新型的MOF-74合成方法，以提高材料的结晶度和稳定性，从而提升其吸附性能。他们通过优化合成条件，成功制备出了高结晶度的MOF-74材料，并发现其在低浓度CO_2吸附中表现出了更高的吸附容量和选择性。

在国内，大连理工大学的研究团队在MOF-74系列材料吸附捕集低浓度CO_2方面开展了大量研究工作。他们采用溶剂热法合成了M-MOF-74系列材料（M=Cu，Zn，Co，Mn，Mg，C