研究背景
二氧化硫（SO?）是燃燒化石燃料過程中產生的主要污染物之一，廣泛應用于化工、能源等領域。然而，SO?的排放對環境和人類健康造成了嚴重威脅，因此脫硫技術成為研究熱點。當前，石灰石洗滌法和濕法硫酸工藝等先進的煙氣脫硫（FGD）技術可去除約95%的SO?，但這些方法能耗高，且殘余的低濃度SO?（500–3,000 ppm）仍可能影響后續的CO?捕集過程。盡管吸附法被認為是一種節能高效的替代方案，但現有多孔材料在分離效率、能耗、成本和穩定性等方面仍存在諸多挑戰。例如，沸石的再生需高達450°C的溫度，而金屬有機框架（MOFs）材料雖具有優異的SO?/CO?分離性能，但在材料穩定性、成本及回收利用方面存在不足。為了解決這一問題，浙江師范大學陳邦林教授團隊，南開大學卜顯和院士/李柏延特聘研究員合作在“Nature Chemistry”期刊上發表了題為“Flue gas desulfurization and SO2 recovery within a flexible hydrogen-bonded organic framework”的最新論文。該團隊設計并合成了一種柔性氫鍵有機框架（HOF-NKU-1），成功實現了高效的SO?/CO?分離。HOF-NKU-1具有優異的選擇性（>7,000）和較高的SO?吸附量（3.02 mmol g?1，298 K，0.01 bar）。此外，該材料的SO?儲存密度高達3.27 g cm?3，并表現出優異的化學穩定性，可耐受水、強酸（12 M HCl）和強堿（12 M NaOH）。相比傳統依賴于親水性金屬位點或M–OH位點的SO?吸附材料，該HOF材料具有較低的水吸附量（17 mg g?1），有效避免了水分競爭吸附問題。 突破性實驗表明，在95%濕度條件下，HOF-NKU-1在四元煙氣混合物（N?/CO?/O?/SO? = 81.2:15:3.5:0.3，體積比）中的動態分離能力達到1.62 mmol g?1，分別是NKU-100（0.25 mmol g?1）和Mg-gallate（0.09 mmol g?1）的9.4倍和35.3倍。此外，該材料在相同條件下的SO?回收量（1.41 mmol g?1）也遠超傳統材料。單晶到單晶（SCSC）轉變及吸附研究表明，HOF-NKU-1的優異性能來源于其形狀記憶（SM）效應和客體適應（GA）特性，這些作用促使SO?在框架中形成高密度的二聚體堆積，從而提升吸附能力和選擇性。該研究為下一代高效氣體分離材料的開發提供了新的設計策略。
研究亮點
(1) 本研究首次構筑了一種柔性氫鍵有機框架（HOF-NKU-1），并用于高效SO?/CO?分離。該材料表現出優異的選擇性（>7,000）和高SO?吸附容量（3.02 mmol g?1，298 K，0.01 bar）。此外，HOF-NKU-1 具有高SO?存儲密度（3.27 g cm?3），并展現出在水、強酸（12 M HCl）和強堿（12 M NaOH）中的出色化學穩定性。 (2) 通過一系列吸附和動態突破實驗，研究發現HOF-NKU-1在高濕（95%）的四元煙道氣環境（N?/CO?/O?/SO? = 81.2:15:3.5:0.3, v/v/v/v）下，表現出顯著的SO?分離能力（1.62 mmol g?1），分別是基準材料NKU-100（0.25 mmol g?1）和Mg-gallate（0.09 mmol g?1）的9.4倍和35.3倍。（3）其SO?回收能力（1.41 mmol g?1）遠超NKU-100（0.15 mmol g?1）和Mg-gallate（0.04 mmol g?1）。單晶到單晶（SCSC）轉變及吸附實驗表明，該材料的高效SO?捕獲性能源于形狀記憶（SM）效應和客體自適應（GA）特性，促進了高密度SO?二聚體的形成。
圖文解讀
圖4. 負載氣體的單晶X射線衍射（SCXRD）分析及低壓吸附能力的比較。
結論展望
本文報道了一種非同尋常的形狀記憶多孔材料（SMP）HOF-NKU-1，該材料在 SO?/CO? 分離中表現出極高的效率，選擇性高達 7,000，并在孔隙空間內實現了高 SO? 存儲密度（3.27 g cm?3）。其疏水特性賦予其在高濕度條件下出色的動態 SO? 吸附能力和 SO? 回收性能，同時該材料還具有優異的化學穩定性，使其在煙氣脫硫（FGD）工藝中具有實際應用的潛力。與沸石、金屬有機框架（MOFs）和共價有機框架（COFs）等多孔材料相比，這些傳統材料在長期使用后通常難以回收，并會失去永久孔隙，而 HOF 材料則可通過簡單的重結晶輕松回收，使其合成所需的起始化學物質能夠反復循環利用，從而降低應用成本。本研究報道的 SMP-HOF 材料在高效 SO? 去除和捕獲方面展現出巨大潛力，不僅將推動 SMP-HOF 材料在氣體分離與存儲領域的深入研究，還可能促進其他功能性 HOF 材料在材料科學與工程領域的進一步發展。Li, L., Zhang, X., Lian, X. et al. Flue gas desulfurization and SO2 recovery within a flexible hydrogen-bonded organic framework. Nat. Chem. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01744-9
