京都大学物质-细胞统合系统研究基地（iCeMS、Institute For Integrated Cell-Material Sciences）的北川进特别教授（络合物化学）和大竹研一特定助教（固体化学）等组成的研究团队合成出了一种在多种气体中只吸附二氧化碳（CO₂）的多孔材料。这种材料就像打开闸门一样将CO₂吸入内部，但不允许氮气、氧气和甲烷等9种分子大小类似的气体通过。该成果有望促进从工厂等排放的含有各种成分的废气中有效地分离和回收CO₂。
只对多种类似气体中的CO₂打开闸门并吸附的多孔材料（供图：© Mindy Takamiya/京都大学iCeMS ）
此次合成的多孔材料是一种由金属离子与有机分子结合而成的在分子水平上具有无数孔隙的多孔配位聚合物（PCP）。PCP也被称为MOF（多孔金属络合物/金属-有机骨架：metal-organic framework）。北川特别教授于1997年证实其孔隙可以吸附大量气体。
用于吸附、分离和储存等目的的常见多孔材料有活性炭、硅胶和沸石，但这几种材料的孔隙大小都无法改变，吸附大分子的唯一方法是施加压力迫使其进入。另一方面，PCP可以通过替换金属离子和有机配位体来设计捕获气体的晶格构造。此外，某些晶格构造可以通过吸附气体分子而发生变化，相关吸附剂和离子传输等应用的研究也正在取得进展。
2021年，研究团队发表研究成果称，利用钴离子和二（4-吡啶基）乙二醇（dpg）制成的PCP，可以分离分子大小和沸点非常相似的CO₂和乙炔。此次，研究人员将钴离子和吡啶二羧酸（pdc）添加到dpg溶液中，在60摄氏度下加热24小时后，得到了接近粉红色的紫色PCP晶体。
合成的PCP原料和生成晶体的显微图像（供图：京都大学大竹研一特定助教）
PCP粉末（供图：京都大学大竹研一特定助教）
将收集的粉状晶体在-78摄氏度、1个大气压或室温、6～7个大气压的条件下与CO₂混合在一起时，分隔成袋状的晶格结构会吸附CO₂，并形成一个连续的通道。
吸附CO₂前，结构中的间隙为3.6%，但由于吸附引起的结构变化，间隙增加至18.1%（供图：京都大学大竹研一特定助教）
同时，对氮气、甲烷、一氧化碳、氧气、氢气、氩气、乙炔、乙烯和乙烷9种气体几乎没有产生吸附。
当多种气体在低温下混合时，PCP只对CO₂表现出吸附（左图）。横轴代表压力（供图：京都大学大竹研一特定助教）
研究人员在CO₂中分别加入等量的氮气、甲烷和乙烯，制成双组分混合气体，并研究了每种混合气体被PCP吸附的情况，结果发现在所有混合气体中均选择性吸附CO₂。
将CO₂与氮气（N₂）、甲烷（CH₄）和乙烯（C₂H₄）的双组分混合气体在室温下加压时，红线所示的CO₂被选择性地吸附到PCP。Total横轴表示各气体的总压力值（供图：京都大学大竹研一特定助教）。
根据因晶格结构吸附引起的变化导致的能量损失计算，乙炔和乙烯也可能发生吸附。然而，吸附后在晶格结构中形成的连续通道状间隙是由大间隙和窄间隙相连的形状，计算气体通过通道所需的能量后发现，乙炔和乙烯通过所需的能量高于CO₂。大竹特定助教解释道：“即使有些气体可能吸附在表面，但可以进入晶体内部的只有CO₂。就像只对CO₂打开闸门并吸附一样”。
温室气体CO₂的高效分离和回收可以通过需要高温的化学吸附法等实现，所以使用多孔材料进行气体分离因其能源效率的优势而备受关注。虽然最近的研究重点集中于分离双组分混合气体，但北川特别教授表示：“实际的工厂废气和沼气等中含有CO₂以外的各种成分，如今这款材料已经到了以实用化为目标，开发可分离多种类似成分气体的材料的阶段”。
该研究与中国同济大学合作进行，研究论文已发表在英国科学杂志《Nature Communications》电子版上。
【论文信息】
杂志：Nature Communications
论文：Soft Corrugated Channel with Synergistic Exclusive Discrimination Gating for CO₂ Recognition in Gas Mixture
DOI: 10.1038/s41467-023-39470-w
原文：JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
【相关链接】
• 京都大学新闻稿“开发出只对二氧化碳打开闸门并行吸附的柔性多孔材料”
