|
|
|
|
|
FIE 福州大学郑云教授/张久俊院士、清华大学于波教授：锌基金属有机框架（Zn-MOFs）先进材料的燃烧后碳捕集与转化研究进展 |
|
|
论文标题：Post-combustion carbon capture and conversion using advanced materials of Zn-based metal-organic frameworks: A mini review
期刊：Frontiers in Energy
作者：Yuhui Jin, Feichao Li, Yun Zheng, Wenqiang Zhang, Shufan Wang, Wei Yan, Bo Yu, Jiujun Zhang
发表时间：03 Apr 2025
DOI：10.1007/s11708-025-1009-1
微信链接：点击此处阅读微信文章
文章简介
本文系统梳理了锌基金属有机框架（Zn-based MOFs）的特性、稳定性及合成方法，总结了其在燃烧后CO2捕获中的抗干扰性能与高温操作进展，并探讨了其在电化学CO2转化中的应用潜力，最后分析了当前挑战与未来研究方向，为高效碳捕获利用与封存（CCUS）技术的发展提供了重要参考。
图1 锌基金属有机框架在燃烧后碳捕获与转化中的概览
研究背景及意义
全球气候变化背景下，实现碳中和已成为150余个国家的共同目标，其中至少120个国家通过法律或政策明确了减排承诺。尽管可再生能源等零碳技术不断发展，但当前零碳产能与气候目标需求仍存在显著差距，全球CO2排放量仍在增长。在此背景下，CCUS被视为实现碳中和的关键路径与绿色未来的关键支撑技术。
燃烧后碳捕获作为CCUS的重要环节，具有无需大幅改造现有工业设施、成本较低等优点，近年来备受关注。传统CO?吸附剂（如胺类溶液、金属氧化物等）虽应用广泛，但是均存在明显缺陷：胺类溶液腐蚀强、可能造成二次污染，金属氧化物循环性能差、释放CO2需额外耗能。金属有机框架（MOFs）作为一类由金属离子/簇与有机配体通过配位键构建的多孔晶态材料，凭借高比表面积、可调控的结构及丰富的活性位点，成为CO2捕获的潜在替代材料。然而，现有综述多聚焦MOFs整体，针对Zn-based MOFs用于CO2燃烧后捕获与转化的系统总结较少，且未充分涵盖高温捕获等前沿进展。本文通过整合Zn-based MOFs的固有特性，在上述领域的应用现状及现存挑战，填补了这一领域的文献空白，为开发环境友好、高效低耗的CCUS技术提供了理论与实践参考。
主要研究内容
本文首先从MOFs的基本特性入手，分析了其CO2捕获能力的关键影响因素。MOFs的CO2吸附机制可分为物理吸附与化学吸附：物理吸附主要依赖静电作用、氢键及范德华力等，其性能受开放金属位点、无机氟金属酸盐阴离子、超微孔结构及框架柔性的影响；化学吸附则通过孔道表面的路易斯碱官能团与CO2发生化学键合，与物理吸附相比，具有更高的选择性。
稳定性是MOFs实际应用的核心挑战。工业烟气的复杂环境要求MOFs具备湿度稳定性、热稳定性及化学稳定性等。
图2 用于CO2捕获的金属有机框架面临的挑战
在合成方法上，MOFs可通过溶剂热、超声化学、机械化学、微波辅助、电化学及缓慢蒸发等技术制备，其中溶剂热法因工艺成熟已实现商业化生产。MOF衍生纳米材料则进一步拓展了其应用，通过调控孔隙率、比表面积及化学组成，提升了CO2捕获与转化性能。
针对Zn-based MOFs的燃烧后捕获研究，早期以MOF-74及其同构体为主，通过引入胺类提升CO2吸附选择性。近年研究重点转向解决工业应用瓶颈：一是抗干扰性能，如CALF-20通过超微孔结构与CO2强结合位点抑制高湿度下的水吸附，6天真实烟气测试后CO2容量仅损失1.3%；其改进材料在RH=70%时仍保留20%的初始效率。二是高温操作，ZnH-MFU-4l通过Zn-H键与CO2的高温插入反应，实现了200℃以上的可逆CO2捕获，其吸附容量随温度升高而增加，508次循环后容量衰减 < 4%，为高温烟气直接捕获提供了新策略。
图3 ZnH-MFU-4l的吸附性能与机制
在电化学CO2转化领域，Zn-based MOFs通过吸附CO2生成COOH中间体，进一步转化为CO或CH4等产物。例如，Zn3(btc)2负载于碳纸时，CH4选择性可达80%；ZIF-8在NaCl电解液中，CO2还原法拉第效率达65%，其离散锌节点通过阴离子交换维持电荷平衡，提升了反应选择性。
研究结论
Zn-based MOFs凭借低毒性、低再生温度、高CO2吸附选择性及催化转化能力，为燃烧后碳捕获与转化提供了绿色替代方案。然而，其规模化应用仍面临多重挑战：目前仅ZnH-MFU-4l可在150℃以上工作，但抗干扰能力有限；其他Zn-based MOFs虽抗干扰性能提升，却局限于低温操作；合成成本较高限制了大规模生产；CO2转化研究较铜基MOFs等仍显不足。未来研究需聚焦三方面：开发可直接处理未净化烟气的高温Zn-based MOFs；优化合成工艺以降低成本；加强Zn-based MOFs在CO2转化中的应用探索。此外，结合机器学习与分子模拟加速孔道结构与活性位点设计，以及探索固体氧化物电解池（SOECs）等其他转化路径，将有助于推动CCUS技术向低碳化、高效化发展，助力全球碳中和目标的实现。
原文信息
Post-combustion carbon capture and conversion using advanced materials of Zn-based metal-organic frameworks: A mini review
Yuhui Jin1, Fengchao Li2, Yun Zheng3, Wenqiang Zhang1, Shufan Wang3, Wei Yan3, Bo Yu1, Jiujun Zhang3
Author information：
1. Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. Shandong Weifang Eco-environment Monitoring Center, Weifang 261000, China
3. Institute of New Energy Materials and Engineering, College of Materials Science and Engineering, Fujian Engineering Research Center of High Energy Batteries and New Energy Equipment & Systems, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China
Abstract：
Developing environmentally friendly and energy-efficient CO2 adsorbents for post-combustion capture is a critical step toward achieving toward carbon neutrality. While aqueous amines and metal oxides have play pivotal roles in CO2 capture, their application is limited by issues such as secondary pollution and high energy consumption. In contrast, Zn-based metal-organic frameworks (Zn-based MOFs) have emerged as a green alternative, offering low toxicity reduced regeneration temperatures, and high efficiency in both CO2 adsorption and catalytic conversion into valuable fuels and chemicals. This mini review begins with a general introduction to MOFs in CO2 capture and conversion, followed by an overview of early studies on Zn-based MOFs for CO2 capture. It then summarizes recent research advancements in Zn-based MOFs for integrated CO2 capture and conversion. Finally, it discusses key challenges and future research directions for post-combustion CO2 capture and conversion using Zn-based MOFs.
Keywords:
Zn-based metal-organic frameworks (Zn-based MOFs); post-combustion capture; CO2 reduction reaction (CO2RR)
Cite this article:
Yuhui Jin, Fengchao Li, Yun Zheng, Wenqiang Zhang, Shufan Wang, Wei Yan, Bo Yu, Jiujun Zhang. Post-combustion carbon capture and conversion using advanced materials of Zn-based metal-organic frameworks: A mini review. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-025-1009-1
扫描二维码，阅读原文
通讯作者简介
郑云，福州大学教授、博导，新能源材料与工程研究院（张久俊院士团队）党支部书记。入选国家教育部海外引才专项，福建省引才“百人计划”、福建省“闽江学者”特聘教授，2024威立中国开放科学高贡献作者（Wiley），2024全球前2%顶尖科学家（Elsevier/Stanford），2024年度福州大学青年五四奖章（个人）。清华大学博士（导师：张久俊院士、于波教授、王建晨教授），滑铁卢大学博后（导师：陈忠伟院士）。长期从事固态锂金属电池（新型柔性复合固态电解质）和氢能燃料电池研究，共发表SCI论文100余篇，其中以第一作者或通讯作者在CSR (2篇)、PMS、EER、CCR、PNAS、Joule、Angew. (2篇)、AM (5篇)、AEM (3篇)、AFM (2篇)、ACB等期刊上发表科研论文50余篇，包括10余篇ESI高被引论文、热点文章和封面文章。申请/授权发明专利20余项，以第一作者发表全英文学术专著1本（CRC Press，2019）、中文学术专著1本（清华大学出版社，2024），主持/参与国家级科研项目10余项。受邀担任国际电化学能源科学院（IAOEES）理事，Frontiers in Energy等领域知名期刊青年编委和客座编辑。
于波，清华大学核能与新能源技术研究院教授，博士生导师。2004年获清华大学工学博士学位，2012年麻省理工学院（MIT）访问学者。在Chemical Society Reviews、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials、Nano Energy等高水平期刊发表学术论文约150篇，授权发明专利50余项，撰写英文专著3部、中文专著1部、核能制氢标准1项。作为负责人主持国家重大科研项目4项、清华-剑桥大学-麻省理工学院国际低碳联盟项目1项、国家自然科学基金4项（青年、面上、重大研究计划等）、国家科技重大专项高温堆制氢子课题1项、前沿探索项目2项、教育部新教师专项基金1项、清华-中石化联合项目2项、清华-国网项目1项等。曾担任国际期刊Energy Technology and Policy副主编、国际氢能协会核能制氢分会理事、中国硅酸盐学会溶胶凝胶分会理事，受邀担任20余个知名期刊的审稿人，多次担任国际学术会议分会主席并做特邀报告。
张久俊，福州大学教授，中国工程院外籍院士、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、中国化学会会士、国际电化学学会会士、英国皇家化学会会士、国际先进材料协会会士、国际电化学能源科学院（IAOEES）主席、中国内燃机学会常务理事兼燃料电池发动机分会主任委员，现任福州大学教授、博导，福州大学材料科学与工程学院院长、福州大学新能源材料与工程研究院院长。张教授长期从事电化学能源存储和转换及其材料的研究和产业化应用开发，包括燃料电池、高比能二次电池、超级电容器、CO2电化学还原和水电解等。至今已发表论文及科技报告850余篇，编著书30本，书章节47篇，被引用93000多次（H-Index为134）。目前是Springer-nature《Electrochemical Energy Reviews》SCI期刊主编、CRC Press《Electrochemical Energy Storage and Conversion》丛书主编、KeAi Publishing《Green Energy & Environment》SCI期刊副主编、中国工程院院刊《Frontiers In Energy》期刊副主编、中国化学化工出版社大型丛书《电化学能源储存和转换》及《氢能技术》主编及多个国际期刊的编委。
期刊简介
Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。
Frontiers in Energy已被SCIE、Ei Compendex、CAS、Scopus、INSPEC、Google Scholar、CSCD(中国科学引文数据库)、中国科技核心期刊等数据库收录。2024年Impact Factor为6.1, 在ENERGY & FUELS学科分类中位列55位(55/182)，处于JCR Q2区。2024年度CiteScore为6.9，在Energy领域排名#77/299；2025年即时CiteScore为7.6（数据截至2025年6月5日）。
Frontiers in Energy免收版面费，且对于录用的文章提供免费语言润色以保障出版质量。进入外审的稿件（不包括评论、新闻热点等短文），第一轮审稿周期约30天，从审稿到录用平均60天。
更多信息请访问：
http://journal.hep.com.cn/fie（国内免费开放）
https://link.springer.com/journal/11708
联系我们：
FIE@sjtu.edu.cn, (86) 21-62932006
qiaoxy@hep.com.cn, (86) 10-58556482
《前沿》系列英文学术期刊
由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。
中国学术前沿期刊网
http://journal.hep.com.cn
特别声明：本文转载仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性；如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用，须保留本网站注明的“来源”，并自负版权等法律责任；作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜，请与我们接洽。
