ZIF의 CO2 흡착능력 강화

May 31, 2024

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 17584(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

금속-유기 골격체(MOF)와 제올라이트성 이미다졸레이트 골격체(ZIF)는 온실가스, 특히 CO2의 흡착 및 저장을 위한 유망한 다공성 물질입니다. CO2 상태 다이어그램을 바탕으로 한 이 연구에서는 고압에서 샘플을 가열하여 ZIF-8 프레임워크가 포함된 고체 CO2의 흡착 거동을 탐색하여 CO2 흡수가 크게 향상되었습니다. 동시 고온(T) 및 압력(P) 조건에서 CO2의 거동은 현장 FTIR 분광학을 통해 직접 모니터링됩니다. 관찰된 CO2 흡착 능력의 현저한 향상은 높은 T와 P의 시너지 효과에 기인할 수 있습니다. 고온은 골격 내로의 확산을 촉진하여 고체 CO2의 수송 특성을 크게 향상시킵니다. 고압은 링커 방향을 변경하고 ZIF-8 내에 새로운 흡착 사이트를 생성하여 기공 크기와 모양을 효과적으로 수정합니다. 따라서 우리의 연구는 시너지 접근법으로 결합된 압력과 온도를 사용하여 MOF/ZIF의 CO2 흡착 능력의 조정 가능성과 향상에 대한 중요한 새로운 통찰력을 제공합니다.

지구 온난화와 관련된 문제를 해결하려면 온실가스, 특히 이산화탄소 포집 및 저장이 근본적으로 중요합니다. 낮은 에너지 효율의 화학 흡착 기반 방법과 비교하여, 열 용량이 낮고 재생 에너지가 더 낮은 활성탄, 제올라이트, MOF(금속-유기 골격) 및 ZIF(제올라이트 이미다졸레이트 골격)와 같은 고체 물리흡착 재료가 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다. 주목. 특히 MOF의 하위 클래스인 MOF와 ZIF는 온실가스 포집 및 저장을 위한 유망한 다공성 물질로 부상했습니다. 이러한 재료는 매우 높은 표면적, 잘 정의된 다공성, 모듈성 및 조정 가능한 기공 크기/기능과 함께 높은 화학적 및 구조적 안정성과 같은 고유한 특성을 가지고 있습니다1,2. 이러한 모든 특성은 최적의 CO2 포집 및 저장 성능을 달성할 수 있는 놀라운 잠재력을 제시합니다. 대규모 ZIF 계열에서는 ZIF-8 [Zn(MeIm)2, MeIm = 2-methylimidazolate]이 가장 잘 알려진 구성원입니다. ZIF-8은 각 아연 이온을 4개의 개별 메틸이미다졸레이트 리간드에 사면체로 연결하여 구성됩니다. 직경이 11.6Å이고 케이지 조리개가 3.4Å인 케이지를 포함하는 SOD(소다라이트) 토폴로지를 갖습니다(보조 그림 S1)3. 이러한 특정 매개변수로 인해 ZIF-8은 적절한 운동 직경4을 갖는 작은 가스 분자에 대해 탁월한 흡착 능력을 나타냅니다. 구조적 특성과 CO2를 포함한 가스 흡착 성능은 지난 10년 동안 주변 조건, 높은 외부 압력 및 저온에서 광범위하게 연구되었습니다. 실험 및 계산 방법5,6,7,8.

다양한 종류의 MOF의 압력 효과에 대한 최근 조사는 매우 다양한 구조적 거동9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20을 밝혀낸 특히 흥미롭습니다. 이 중에서 외부 압력이 높은 ZIF, 특히 ZIF-8이 광범위하게 조사되었습니다. 더욱 중요한 것은 여러 연구에서 높은 외부 압력을 적용하면 MOF/ZIF의 CO2 저장 용량을 효과적으로 조정할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다8,29,30,31,32. 이는 외부 압력이 MOF/ZIF 프레임워크 토폴로지를 변경하고, 기공 크기와 모양을 변경하고, 프레임워크와 흡착된 CO2 사이의 호스트-게스트 상호 작용을 향상시키고, 심지어 새로운 흡착 사이트를 생성하여 CO2 흡착 능력을 증가시킬 수 있기 때문입니다. 그러나 실온에서는 0.6 GPa33 이상의 압력에서 CO2의 응고가 발생합니다. CO2의 이러한 상 변화는 고체 CO2가 움직이지 않고 확산되지 않기 때문에 더 높은 압력에서 ZIF-8의 공동으로 CO2가 추가로 삽입되는 것을 심각하게 제한합니다. 이 문제는 고체 CO2와 ZIF-8의 혼합물을 ZIF-8 외부에 존재하는 고체 CO2가 동원되는 온도까지 가열하면 해결될 수 있습니다. 압력. 더 중요한 것은 이전 연구에서 확립된 ZIF-8의 상세한 구조 정보, 압력 및 온도 안정성뿐만 아니라 CO2 흡착 특성을 통해 ZIF-8의 CO2 흡착에 대한 가능한 시너지 high-P 및 high-T 효과를 이해할 수 있다는 것입니다. .본 연구에서는 CO2 상태 다이어그램33을 가이드로 사용하고 현장 IR 분광학을 도구로 사용하여 고온 및 고압을 동시에 적용하여 다이아몬드 앤빌 셀(DAC)에서 ZIF-8의 CO2 흡착 거동을 조사했습니다. 우리가 아는 한, 이것은 MOF, 특히 ZIF-8에 대한 동시에 높은 P 및 높은 T 조건에서 CO2 흡입 거동을 조사한 최초의 보고서입니다. 우리의 결과는 주의 깊게 제어된 높은 P-T 조건 하에서 ZIF-8의 CO2 흡수가 대폭 향상되어 CO2 저장을 위한 유망한 재료가 된다는 것을 분명히 보여줍니다.