micromeritics：重磅《nature》论文，突破性 cof 材料背后也有麦克相助-云海官网

*图中仪器为 micromeritics bta 穿透曲线吸附仪

文中在 25℃ 下对 cof-999 进行单组分 co₂ 气体吸附等温线测量，使用了 micromeritics 3flex 物理吸附仪。3flex 测量基于静态体积法，如下图所示，在 0.4 mbar（400 ppm，接近空气中 co₂ 分压条件）下，cof-999 对 co₂ 的吸收量为 0.91 mmol/g。文中指出，在 25℃ 下，n₂、o₂ 和 ar 的吸附等温线为线性形状，吸附量非常低，可忽略不计。这些气体吸附等温线数据表明，相较于环境空气中的其他成分，cof-999 对 co₂ 具有很高的选择性，能够高效地捕集 co₂。

文中采用 micromeritics bta 穿透曲线分析仪在 25℃ 下对 cof-999 进行多组分气体动态吸附测量。图 2 显示的是 bta 的配置，包含四路进气口，并通过蒸汽发生器鼓泡法产生水蒸汽，实现模拟干燥空气和含不同湿度空气的多组分气体测量。

图 3 显示的是 25℃，50% 相对湿度（rh）@ 400ppm co₂ 穿透实验的穿透曲线图谱，由图可以看出，在 cof-999 材料中，水蒸汽吸附比 co₂ 吸附先达到饱和。图中陡峭的穿透曲线说明在动态吸附过程中几乎没有传质限制。

图3. micromeritics bta 400 ppm co₂、50% rh @25℃，

cof-999 动态吸附 co₂ 的穿透曲线

为了验证水蒸汽对 co₂ 吸附的影响，文中测量了 25℃ 时，不同rh（0%-75%）下 cof-999 对 400 ppm co₂ 的穿透吸附曲线。为了保证测量的准确性和稳定性，文中作者非常严谨地分别对同一批样品进行三次重复性测试（如图 4a 所示），且对三批不同的样品进行平行性测试（如图 4b 所示）。

图4. 400 ppm co₂ @25℃下，cof-999 动态吸附 co₂ 的穿透曲线：

a, 同一样品在不同湿度下三次重复性测试;

b, 三个样品在不同湿度下的平行性测试

从上面 bta 的平行性/重复性测试结果中可以看出，以 0% rh @25℃ 为例，cof-999 对 400 ppm co₂ 的吸附量为 0.96±0.03 mmol/g，与 3flex 静态体积法在 0.4 mbar 测量得到 0.91 mmol/g co₂ 吸附量一致，说明了单组分 co₂ 的静态吸附测量（3flex 物理吸附仪）和动态吸附测量（bta 穿透曲线分析仪）的一致性。根据上面的穿透实验曲线积分计算，在保证恒定的吸附温度的前提下，将不同湿度的 400 ppm co₂ 进行穿透吸附测量，co₂ 的吸附量会随着湿度增加而增加，如图 5 所示，水蒸汽对 co₂ 吸附的积极影响源自于 cof-999 多孔晶体结构中的胺官能。

图5. 400 ppm co2、50% rh @25℃下，cof-999 的 co2 吸附量随湿度的变化

图6. a, 4% co₂ @25℃ 和 b, 15% co₂ @25℃，

cof-999 在不同湿度下 co₂ 的动态吸附穿透曲线

文中为测试 cof-999 对 co₂ 的吸附动力学，作者在 bta 上装载了 5 mg 的 cof-999，在 25℃ 下通入 50% rh 的 400 ppm co₂ 进行测量。由上文的实验结果可知，在 25℃ @50% rh，400 ppm co₂ 实验条件下，cof-999 的 co₂ 吸附量为 2.05 mmol/g。如图 7 所示，吸附 18.8 分钟时，co₂ 吸附量达到总吸附量的 50%；吸附 61.7 分钟时，co₂ 吸附量达到总吸附量的 80%。测试过程中，最大的 co₂ 吸附速率为 0.11 mmol/(g·min)。据作者所述，这是目前报道过从空气中捕集 co₂ 的最快吸附速率，这得益于 cof-999 的周期性网络结构。

图7. 400 ppm co2、50%rh @25℃下，cof-999 的 co2 吸附动力学过程

文中作者采用 bta 验证 cof-999 的 co₂ 脱附动力学，并对比了不同脱附温度对 cof-999 co₂ 脱附速率的影响。同样地，5mg 的 cof-999 在 25℃ @50% rh，400 ppm co₂ 实验条件下吸附饱和后，将气流切换到惰性 n₂ 氛围进行恒温脱附。图 8a 显示的是不同温度（60，80，100℃）下的 co₂ 脱附行为，图 8b 计算了 co₂ 的脱附速率随着温度的变化，脱附温度越高，co₂ 的脱附速率越快。cof-999 的疏水性多孔结构，降低了水的吸附和 co₂ 的再生温度（60℃ 即可脱附），加速了 co₂ 的脱附。

图8. cof-999 在不同温度下: a, co2 脱附动力学过程；b, co2 脱附速率

最为关键的是，cof-999 不仅仅具有 co₂ 吸附高容量，且具有非常好的循环稳定性。文中作者采用 bta 进行变温吸附，先将 cof-999 在25℃ @50% rh，400 ppm co₂ 实验条件下饱和吸附 co₂，然后升温至 60℃ 的再生温度脱附 co₂。如图 9 所示，10 次吸脱附循环后，cof-999 仍保留了其 co₂ 的吸附容量。

图9. 400 ppm co₂、50% rh @25℃下 10 次吸脱附循环，

cof-999 的 co₂ 吸附量变化

在上述模拟空气组分的穿透实验结果的前提下，作者验证了 cof-999 对实际暴露空气中的 co₂ 吸附行为。在 bta 上将实验室外空气直接通入 cof-999 中进行长达 20 天的 100 次 co₂ 吸附-脱附循环稳定性测试，在 25℃ 吸附 co₂，60℃ 脱附 co₂。如图 10 所示，在这 20 天，环境中 co₂ 浓度在 410 ppm-517 ppm 内变化，环境湿度在 28%-51%变化。以净化空气 co₂ 浓度到 300 ppm 为目标，cof-999 对 co₂ 的捕集效率在 1.03 mmol/g-1.48 mmol/g 变化，计算此 100 次的平均捕集效率为 1.28 mmol/g。

图10. 20天内，环境中 co2 浓度、湿度和 co2 捕集效率的变化

最后，作者为了考察经过 100 次循环稳定性测试后 cof-999 的整体化学稳定性，对 100 次脱附 co₂ 干净后的 cof-999 再次采用micromeritics 3flex 和 bta 测量 25℃ 其单组分 co₂ 吸附等温线和模拟空气（50%rh）400 ppm co₂ 动态穿透曲线，图 11 结果显示，cof-999 结构没有发生改变，保留了 co₂ 吸附量。文中作者总结，据以上 dac 的实验结果可知，高效且稳定的 cof-999 是捕集 co₂ 非常卓越的多孔吸附材料，是目前碳捕集研究领域最有前景的材料之一。

图11. 100次空气 co₂ 吸脱附循环后 cof-999：

a, 25℃ @co₂ 吸附等温线；

b, 25℃ @400 ppm co₂ 穿透曲线

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