虽然，天然气比煤释放的CO₂较少，但是对天然气的碳进行捕获从而尽量避免释放炔更困难，因为天然气燃烧过程中释放的CO₂浓度是煤燃烧过程中浓度的1/3，同时含有大量O₂，H₂O等气体。因此，加州大学伯克利分校Jeffrey R. Long等报道了四胺修饰的有机镁金属框架化合物材料中具有碳捕获、蒸气再生作用的双重作用。通过两步协同CO₂吸附作用实现了更高的CO₂捕获能力和吸附焓变化。该材料能够从潮湿的空气中捕获CO₂气体，同时能够在蒸气作用中进行重生。作者发现该过程比温度处理过程、压力调控处理过程有更高的经济性。

天然气目前是美国主要的电能来源，将天然气热电厂释放的CO₂进行捕获能有效的降低碳排放量。基于双胺修饰的MOF材料在两步协同CO₂吸附中的作用，作者开发了四胺修饰的镁基MOF材料，实现了在更严苛的条件中用于捕捉天然气燃烧后废气中的CO₂。

本文要点：

（1）

通过不同碳数的四胺（N，N'-双（3-氨基丙基）-1,3-二氨基丙烷（N,N′-bis(3-aminopropyl)-1,3-diaminopropane）、N，N'-双（3-氨基丙基）-1,4-二氨基丁烷（N,N′-bis(3-aminopropyl)-1,4-diaminobutane））和Mg的4,4′-二氧基联苯-3,3′-二羧酸盐（4,4′-dioxidobiphenyl-3,3′-dicarboxylate）结合生成四胺化的Mg₂(dobpdc)(3-3-3)、Mg₂(dobpdc)(3-4-3)。作者发现3-3-3和3-4-3中分别由于分子内、分子间氢键作用导致了更好的热稳定性。

（2）

作者发现Mg₂(dobpdc)(3-4-3)展现出在仅仅含有10 %CO₂气氛中实现了高达90 %的CO₂捕获率。通过Clausius-Clapeyron方程计算作者发现，Mg₂(dobpdc)(3-4-3)展现了较高的CO₂吸附焓，因此在CO₂捕获过程中耗能更低。此外，作者发现Mg₂(dobpdc)(3-4-3)在环境压力中的吸附脱附回滞作用最低。

（3）

吸附机理研究。通过红外IR、固体NMR方法对Mg₂(dobpdc)(3-4-3)的CO₂吸附机理进行研究，作者发现原位红外吸附实验中发现1339 cm^-1的C-N键、1689 cm^-1的C-O键，同时在120 ℃的吸附平衡说明氨基甲酸铵物种是协同吸附作用的关键。作者在N-H振动区域发现相邻的氨基甲酸铵之间存在氢键作用。通过固体NMR测试，作者发现1.04 bar ¹³CO₂ ¹³C NMR中出现了162.6 ppm的峰，对应于氨基甲酸铵物种。这个单重峰说明在Mg基MOF材料中所有的吸附CO₂有相同的化学环境。通过异核相关NMR测试，作者发现CO₂和一级胺基反应和氨基甲酸酯附近的二级胺进行反应。以上结果说明Mg₂(dobpdc)(3-4-3)中两步吸附协同机理。

参考文献

Eugene J. Kim, Rebecca L. Siegelman, Henry Z. H. Jiang, Alexander C. Forse, Jung-Hoon Lee, Jeffrey D. Martell, Phillip J. Milner, Joseph M. Falkowski, Jeffrey B. Neaton, Jeffrey A. Reimer, Simon C. Weston, Jeffrey R. Long*

Cooperative carbon capture and steam regeneration with tetraamine-appended metal–organic frameworks, Science 2020

DOI：10.1126/science.abb3976

https://science.sciencemag.org/content/369/6502/392