直接空气捕集（Direct Air Capture, DAC）通过化学方法从环境空气中直接捕集二氧化碳，被视为实现碳中和的关键技术路径之一。金属-有机框架（MOF）等多孔材料因结构可设计性强，在大规模DAC应用中前景广阔，但其工程化推广仍面临材料成本、再生能耗与使用寿命等方面的现实挑战。近日，上海科技大学2060研究院/物质科学与技术学院章跃标教授课题组在面向DAC应用的MOF材料创制方面取得重要进展，相关成果发表于国际学术期刊ACS Central Science。
研究选用稳定性高、成本较低的MIL-101(Cr)作为模型体系，针对传统浸渍法易造成孔道堵塞或活性组分流失的瓶颈，发展了超声辅助浸渍固载工艺，将有机多胺精准锚定于MOF介孔笼内而非外表面聚集。电镜及X射线光电子能谱分析表明，胺分子在晶体内部分布均匀，并与不饱和Cr位点形成稳定的N-Cr配位键。尽管材料比表面积有所下降，但胺位点的高可及性使其在超低分压下呈现陡峭的吸附等温线，同时有效抑制水汽竞争，从材料设计源头化解了负载均匀性与孔道可及性之间的矛盾。
在评价方法上突破了传统静态平衡吸附量测试的局限，搭建了集成高精度天平、ppm级CO2红外检测器与电容式湿度传感器的动态流式评价平台，可同步监测穿透曲线、吸附动力学、H2O/CO2共吸附行为及再生能耗。该平台更贴近真实DAC运行环境——气流连续通过固定床、CO2浓度极低、湿度波动存在——且具有普适性，可推广至各类固体胺或多孔吸附剂的筛选与对标，为DAC吸附剂从实验室走向工业应用提供了标准化的评估方案。
在综合性能方面，动态穿透实验显示，该材料在400 ppm CO2、298 K条件下的突破容量达12.4 wt%，在50%相对湿度下仍保持9.7 wt%的吸附容量；经50 ℃氮气吹扫即可完全再生，10次循环后容量保持率达92.2%。动力学分析进一步证实，孔内胺位点在预吸附水后仍保持高度可及性。尤为重要的是，低至50 ℃的再生温度使其可直接耦合工业废热等低品位热源，显著降低碳捕集过程的能耗与运行成本。
该工作构建了高性能MOF固载胺复合材料，发展了多元动态直接空气捕集材料评估框架，为面向工业应用的DAC吸附剂设计提供了新材料和新方法。物质学院研究生张嘉琦为论文第一作者，章跃标常任副教授与复旦大学李巧伟教授、英国SMS公司Paul Iacomi博士为共同通讯作者，上海科技大学为论文第一完成单位。与该研究相关的材料及制备方法已获得中国发明专利授权（专利号：ZL 2025 1 1585205.5）。相关工作得到上海市高分辨电子显微学重点实验室、物质学院分析测试中心和上科大高性能计算平台的技术支持。
图1. (a) 配位锚定有机胺的结构及其再湿度条件下400 ppm CO2的穿透与脱附曲线；(b) 与文献报道的mmen-Mg2(dobpdc)、TEPA-MIL-101等代表性吸附剂在容量、动力学、稳定性、胺效率及再生能耗等维度的雷达图对比；(c) 与多种胺基MOF、超微孔MOF、无机吸附剂及沸石的CO2吸附量对比。
论文标题：Benchmarking CO2 Adsorbents for Direct Air Capture with an Amine-Grafted Metal−Organic Framework
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