美國科學(xué)家的一項(xiàng)最新研究,，在減少二氧化碳等溫室氣體的排放上取得了重要的進(jìn)展,。他們開發(fā)出一種新型材料，并證實(shí)該材料能夠隔離并捕獲二氧化碳分子。新的研究成果對于應(yīng)對全球變暖、海平面上升,、海洋生態(tài)系統(tǒng)破壞等問題具有重要意義。此外,，該發(fā)現(xiàn)也能夠讓發(fā)電站擺脫毒性材料的使用,，且能夠有效地收集氣體。相關(guān)研究論文發(fā)表在2月15日的《科學(xué)》雜志上,。
進(jìn)行該項(xiàng)研究的是美國加州大學(xué)洛杉磯分校的化學(xué)教授Omar M. Yaghi及其同事,。Yaghi說，“選擇性消除二氧化碳的技術(shù)難題已經(jīng)被攻克,，新發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)經(jīng)過精確‘裁剪’,，能夠捕獲并保存二氧化碳，并且沒有逃逸,。我們相信這會是一個轉(zhuǎn)折點(diǎn),，在二氧化碳進(jìn)入大氣前就將其捕獲。”
Yaghi小組設(shè)計(jì)出的新材料屬于“沸石咪唑酯骨架結(jié)構(gòu)材料”（zeolitic imidazolate frameworks,，簡稱ZIFs），這是一類具有可調(diào)整孔洞大小及化學(xué)性質(zhì)的金屬-有機(jī)配位子結(jié)構(gòu)（metal organic frameworks,，簡稱MOFs）,。ZIFs的表面積很大，而且在高溫下不會分解,，在沸水和有機(jī)溶劑中浸泡一周也仍然穩(wěn)定,。
實(shí)際上，Yaghi等人制造ZIF材料就是把傳統(tǒng)沸石中的鋁和硅元素用鋅離子和鈷離子等取代,，而橋氧則被咪唑酯取代,。不過，由于Yaghi實(shí)驗(yàn)室的Rahul Banerjee和Anh Phan令該合成過程自動化,，他們能夠在一小時內(nèi)實(shí)現(xiàn)200個化學(xué)反應(yīng),，大大高于一般情況下每天進(jìn)行幾個反應(yīng)的速度。
在此次研究中,，Banerjee和Anh兩人共完成了9600個微化學(xué)反應(yīng),，最終得到了25種新ZIF結(jié)構(gòu)，并且證實(shí)了其中的ZIF-68,、ZIF-69和ZIF-70這3種結(jié)構(gòu)能夠高選擇性地捕獲二氧化碳,。Yaghi表示，“ZIFs對二氧化碳的選擇性是其他一些材料無法匹及的,。”
ZIF材料的內(nèi)部可以存儲氣體分子,，在化學(xué)結(jié)構(gòu)上,，它有一個類似于旋轉(zhuǎn)門的薄蓋，能夠讓大小合適的分子進(jìn)入并將其存儲,，而阻礙較大或者形狀不同的分子,。研究生Phan說，“最美妙的地方在于我們能夠自由選擇‘門’的樣子,，控制能夠進(jìn)入的物質(zhì),。”
ZIF-68、ZIF-69和ZIF-70都是開放式結(jié)構(gòu),，通過將它們置于一氧化碳和二氧化碳,，以及一氧化碳和氮?dú)獾膬煞N混合氣流中，研究人員確切證實(shí)了只有二氧化碳能夠被捕獲,。
Yaghi表示,，當(dāng)前發(fā)電廠收集二氧化碳需要使用毒性材料，而且這一過程的能源消耗約為整個發(fā)電廠輸出的20%—30%,。相比之下,，ZIFs能夠從多種氣體中將二氧化碳分離出來，而且其存儲能力超出當(dāng)前多孔碳材料的5倍,。Banerjee說,，“每公升ZIF能夠捕獲和存儲83公升的二氧化碳。”（科學(xué)網(wǎng) 任霄鵬/編譯）
（《科學(xué)》（Science）,，Vol. 319. no. 5865, pp. 939 - 943,，Rahul Banerjee, Anh Phan, Omar M. Yaghi）
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Science 15 February 2008:
Vol. 319. no. 5865, pp. 939 - 943
DOI: 10.1126/science.1152516
High-Throughput Synthesis of Zeolitic Imidazolate Frameworks and Application to CO2 Capture
Rahul Banerjee,1* Anh Phan,1 Bo Wang,1 Carolyn Knobler,1 Hiroyasu Furukawa,1 Michael O'Keeffe,2 Omar M. Yaghi1*
A high-throughput protocol was developed for the synthesis of zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs). Twenty-five different ZIF crystals were synthesized from only 9600 microreactions of either zinc(II)/cobalt(II) and imidazolate/imidazolate-type linkers. All of the ZIF structures have tetrahedral frameworks: 10 of which have two different links (heterolinks), 16 of which are previously unobserved compositions and structures, and 5 of which have topologies as yet unobserved in zeolites. Members of a selection of these ZIFs (termed ZIF-68, ZIF-69, and ZIF-70) have high thermal stability (up to 390°C) and chemical stability in refluxing organic and aqueous media. Their frameworks have high porosity (with surface areas up to 1970 square meters per gram), and they exhibit unusual selectivity for CO2 capture from CO2/CO mixtures and extraordinary capacity for storing CO2: 1 liter of ZIF-69 can hold 83 liters of CO2 at 273 kelvin under ambient pressure.
1 Center for Reticular Chemistry at California NanoSystems Institute, Department of Chemistry and Biochemistry, University of California at Los Angeles, 607 East Charles E. Young Drive, Los Angeles, CA 90095, USA.
2 Department of Chemistry and Biochemistry, Arizona State University, Tempe, AZ 85287, USA.
* To whom correspondence should be addressed. E-mail: [email protected] (R.B.); [email protected] (O.M.Y.)
Omar M. Yaghi實(shí)驗(yàn)室主頁
