美國科學家的一項最新研究,，在減少二氧化碳等溫室氣體的排放上取得了重要的進展。他們開發(fā)出一種新型材料,，并證實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,。相關研究論文發(fā)表在2月15日的《科學》雜志上。
進行該項研究的是美國加州大學洛杉磯分校的化學教授Omar M. Yaghi及其同事,。Yaghi說,，“選擇性消除二氧化碳的技術難題已經被攻克，新發(fā)現(xiàn)的結構經過精確‘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折點,，在二氧化碳進入大氣前就將其捕獲,。”
Yaghi小組設計出的新材料屬于“沸石咪唑酯骨架結構材料”（zeolitic imidazolate frameworks，簡稱ZIFs）,，這是一類具有可調整孔洞大小及化學性質的金屬-有機配位子結構（metal organic frameworks,，簡稱MOFs）。ZIFs的表面積很大,，而且在高溫下不會分解,，在沸水和有機溶劑中浸泡一周也仍然穩(wěn)定。
實際上,，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實驗室的Rahul Banerjee和Anh Phan令該合成過程自動化,，他們能夠在一小時內實現(xiàn)200個化學反應,，大大高于一般情況下每天進行幾個反應的速度。
在此次研究中,，Banerjee和Anh兩人共完成了9600個微化學反應,，最終得到了25種新ZIF結構，并且證實了其中的ZIF-68,、ZIF-69和ZIF-70這3種結構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材料的內部可以存儲氣體分子,，在化學結構上，它有一個類似于旋轉門的薄蓋,，能夠讓大小合適的分子進入并將其存儲,，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,，控制能夠進入的物質。”
ZIF-68,、ZIF-69和ZIF-70都是開放式結構,，通過將它們置于一氧化碳和二氧化碳，以及一氧化碳和氮氣的兩種混合氣流中,，研究人員確切證實了只有二氧化碳能夠被捕獲,。
Yaghi表示，當前發(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,。”（科學網 任霄鵬/編譯）
（《科學》（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實驗室主頁
