在全球气候变暖的严峻挑战下，碳捕集技术成为减缓温室效应的关键手段。传统碳捕集材料如活性炭、沸石等虽有一定效果，但在吸附容量、选择性和稳定性方面存在局限。近年来，金属有机框架材料（MOFs）凭借其独特的结构和优异的性能，成为碳捕集领域的研究热点。其中，三氧化铝基MOFs（如ZJU – 620(Al)）以其卓越的化学稳定性、热稳定性及高选择性，为碳捕集技术带来了革命性突破。
一、三氧化铝基MOFs的独特结构优势
MOFs是一类由金属离子或团簇与有机配体通过配位键自组装形成的多孔晶体材料。三氧化铝基MOFs以铝氧簇为金属节点，与含氧、氮等官能团的有机配体连接，构建出具有规则孔道和高比表面积的立体框架。以ZJU – 620(Al)为例，其比表面积高达1347m²/g，为二氧化碳分子提供了广阔的吸附空间。
该材料内部存在两种类型的二氧化碳吸附位点：
位点I：靠近AlO₆团簇，通过弱的O··C=O范德华相互作用与二氧化碳分子结合。
位点II：位于两个平行苯环之间，与苯环距离为6.64Å。二氧化碳分子优先吸附在位点II，尤其在低压下，得益于其高亨利系数；随着压力增加，位点I也逐渐被占据。
这种双位点吸附机制不仅提高了二氧化碳的吸附容量，还增强了材料在不同压力条件下的适应性。
二、分子筛效应：精准捕获二氧化碳的“智能筛子”
三氧化铝基MOFs的孔道尺寸和形状可通过调节有机配体的长度和官能团进行精准设计，实现对二氧化碳分子的选择性吸附。其孔道直径与二氧化碳分子动力学直径（约3.3Å）高度匹配，能够像“智能筛子”一样，允许二氧化碳分子自由通过，而将氮气（动力学直径约3.64Å）、甲烷等分子阻挡在外。
实验数据显示，ZJU – 620(Al)在273K、1个大气压下对二氧化碳的吸附量高达6.02mmol/g，远超传统多孔材料如3D石墨烯（2.28mmol/g）、沸石 – 13X（1.65mmol/g）等。同时，其对二氧化碳/氮气（15/85）混合物的分离选择性在273K时达到107.20，298K时为31.93，表现出优异的气体分离性能。
三、防潮抗毒：恶劣工况下的稳定“捕碳卫士”
在实际工业应用中，烟道气通常含有水蒸气和酸性气体（如二氧化硫、氮氧化物），这些杂质会显著降低传统吸附材料的性能。三氧化铝基MOFs通过结构优化和表面修饰，展现出卓越的防潮和抗毒性能。
防潮性能：ZJU – 620(Al)的水蒸气吸附等温线显示，在相对湿度（RH）80%条件下，吸水性小于0.55mmol/g（P/P₀=0.70之前），属于低压区水吸附非常低的V型等温线。穿透实验表明，当RH从0增加到80%时，二氧化碳穿出时间仅从145.20秒降低到141.50秒，动态二氧化碳吸附量基本不变，证明其优异的防潮能力。
抗毒性能：铝氧簇与有机配体之间通过强配位键连接，形成稳定的化学结构，能够有效抵抗酸性气体的侵蚀。此外，通过引入疏水性官能团（如氟基、甲基）对孔道表面进行修饰，可进一步减少水分子和酸性气体在孔道内的吸附，提高材料的抗毒性能。
四、可再生与长寿命：降低碳捕集成本的“经济之选”
碳捕集技术的规模化应用依赖于吸附材料的可再生性和长寿命。三氧化铝基MOFs通过物理吸附机制捕获二氧化碳，吸附过程可逆，解吸能耗低。通过调节温度或压力，可实现二氧化碳的快速脱附和材料的循环使用。
ZJU – 620(Al)在多次吸附 – 解吸循环后，仍能保持稳定的吸附性能，展现出优异的长寿命特性。此外，其合成原料（如铝盐、有机配体）来源广泛、价格低廉，合成工艺简单，易于规模化生产，进一步降低了碳捕集成本。
五、应用前景：从实验室到工业化的“跨越之路”
三氧化铝基MOFs的优异性能使其在多个领域展现出广阔的应用前景：
燃煤电厂烟道气碳捕集：作为固体吸附剂，替代传统的胺溶液吸收法，降低能耗和设备腐蚀，提高碳捕集效率。
天然气净化：选择性吸附天然气中的二氧化碳，提高天然气热值，满足管道输送和液化天然气的质量要求。
生物气升级：去除生物气中的二氧化碳，提升甲烷含量，实现生物气的高效利用。
直接空气捕集（DAC）：利用其高选择性和稳定性，从空气中直接捕获低浓度二氧化碳，为负碳排放技术提供支持。
目前，三氧化铝基MOFs已进入中试放大和工业化示范阶段。例如，巴斯夫与Svante Technologies合作，将MOFs材料应用于氢、纸浆和造纸、水泥、钢铁等工业领域的碳减排，取得了显著成效。未来，随着合成技术的不断优化和成本的进一步降低，三氧化铝基MOFs有望成为碳捕集领域的主流材料，为全球气候治理贡献“中国智慧”和“中国方案”。
