ZIFのCO2吸着能力の向上

May 31, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 17584 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

有機金属フレームワーク (MOF) とゼオライト イミダゾレート フレームワーク (ZIF) は、温室効果ガス、特に CO2 の吸着と貯蔵に有望な多孔質材料です。 この研究では、CO2 状態図に基づいて、高圧下でサンプルを加熱することにより、ZIF-8 骨格が負荷された固体 CO2 の吸着挙動を調査し、その結果 CO2 取り込みが大幅に改善されました。 高温 (T) と高圧 (P) の同時条件下での CO2 の挙動は、その場 FTIR 分光法によって直接監視されます。 観察された CO2 吸着能力の顕著な向上は、高い T と P の相乗効果によるものと考えられます。高温により、骨格への拡散が促進され、固体 CO2 の輸送特性が大幅に向上します。 高圧は、リンカーの方向を変更し、ZIF-8 内に新しい吸着サイトを作成することにより、細孔のサイズと形状を効果的に変更します。 したがって、私たちの研究は、相乗的アプローチとして圧力と温度を組み合わせて使用​​する、MOF/ZIFのCO2吸着能力の調整可能性と強化についての重要な新たな洞察を提供します。

地球温暖化、温室効果ガス、特に二酸化炭素の回収と貯留に関連する課題に対処するためには、基本的に重要です。 エネルギー効率の低い化学吸着ベースの方法と比較して、活性炭、ゼオライト、有機金属フレームワーク (MOF)、およびゼオライトイミダゾレートフレームワーク (ZIF) などの固体物理吸着材料は、熱容量が低く、再生エネルギーの必要性も低いため、ますます注目を集めています。注意。 特に、MOF および MOF のサブクラスとしての ZIF は、温室効果ガスの回収および貯蔵に有望な多孔質材料として浮上しています。 これらの材料は、モジュール性や調整可能な細孔サイズ/機能とともに、非常に高い表面積、明確に定義された気孔率、高い化学的および構造的安定性などの独特の特性を備えています1、2。 これらすべての特性は、最適な CO2 回収および貯留パフォーマンスを達成するための顕著な可能性を示しています。 大きな ZIF ファミリーの中で、ZIF-8 [Zn(MeIm)2、MeIm = 2-メチルイミダゾレート] が最もよく知られているメンバーです。 ZIF-8 は、各亜鉛イオンを 4 つの個別のメチルイミダゾレート リガンドに四面体的に接続することによって構築されます。 これは、直径11.6Åとケージ開口部3.4Åのケージを含むソーダライト（SOD）トポロジーを備えています（補足図S1）3。 これらの特定のパラメーターにより、ZIF-8 は適切な運動直径 4 を持つ小さなガス分子に対して優れた吸着能力を発揮します。その構造特性と CO2 を含むガス吸着性能は、過去 10 年間、周囲条件、高い外圧、低温下で、研究者によって広範に研究されてきました。実験的および計算的方法5、6、7、8。

さまざまな種類の MOF における圧力効果に関する最近の研究は、非常に多様な構造挙動を明らかにした 9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20 ことを明らかにしており、特に興味深いものです。 これらの中で、ZIF、特に高い外部圧力下にある ZIF-8 は広範囲に検査されています 21、22、23、24、25、26、27、28。 さらに重要なことに、いくつかの研究では、高い外部圧力を適用すると、MOF/ZIF の CO2 貯蔵能力を効果的に調整できることが示されています 8、29、30、31、32。 これは、外部圧力により MOF/ZIF フレームワークのトポロジーが変化し、細孔のサイズと形状が変化し、フレームワークと吸着 CO2 の間のホストとゲストの相互作用が強化され、さらには新しい吸着サイトが作成されて CO2 吸着能力が増加する可能性があるためです。 しかし、室温では 0.6 GPa を超える圧力で CO2 の固化が起こります 33。 固体の CO2 は不動で拡散性がないため、この CO2 の相変化により、高圧での ZIF-8 のキャビティへの CO2 のさらなる挿入が厳しく制限されます。 この問題は、固体 CO2 と ZIF-8 の混合物を、ZIF-8 の外側に存在する固体 CO2 が移動する温度まで加熱すると、かなり多くの CO2 分子が ZIF のフレームワークに押し込まれる可能性があるため改善できます。プレッシャー。 さらに重要なことは、以前の研究で確立された ZIF-8 の詳細な構造情報、圧力と温度の安定性、および CO2 吸着特性により、ZIF-8 の CO2 吸着に対する高リンと高高温の相乗効果の可能性を理解できるようになることです。この研究では、ガイドとして CO2 状態図 33 を、ツールとしてその場 IR 分光法を使用し、高温と高圧を同時に加えることにより、ダイヤモンドアンビルセル (DAC) 内での ZIF-8 の CO2 吸着挙動を調べました。 我々の知る限り、これはMOF、特にZIF-8の高Pと高Tの同時条件におけるCO2吸入挙動を調査した最初の報告書である。 我々の結果は、慎重に制御された高P-T条件下では、ZIF-8のCO2取り込みが大幅に強化され、CO2貯蔵用の有望な材料となることを明確に示しています。