中山大学苏成勇JACS：可扩展和可替代的Zr-MOF用于烟气深度脱硫和SO2回收

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研究内容

21世纪，在全球范围内，人类社会面临的最关键和最紧迫的挑战之一是控制和减少有毒和挥发性污染物向大气中的排放，旨在应对气候变化，保护环境和人类健康，实现可持续发展。二氧化硫（SO2）是一种有毒气体，尽管它是合成硫酸和各种精细化学品的关键化学原料。深度去除和回收SO2作为工业原料在烟气脱硫和天然气净化中具有重要意义，但开发低成本、可扩展、高效和可回收的物理吸附剂仍然是一个挑战。

中山大学苏成勇开发了一种可行的合成方案来生产DUT-67，该DUT-67具有可控的MOF结构、优异的结晶度、可调节的形状/尺寸、毫克到公斤的规模，并通过回收溶剂/调节剂连续生产。此外，简单的HCl后处理提供了净化的DUT-67-HCl，其具有超高纯度、优异的化学稳定性、完全可逆的SO2吸收、高分离选择性（SO2/CO2和SO2/N2）、大大增强的SO2捕获能力和良好的重复使用性。从含有痕量SO2的真正的四元N2/CO2/O2/SO2烟道气中进行的一步SO2分离可以在干燥和50%潮湿的条件下进行，从而回收96%的纯度。相关工作以“Scalable and Depurative Zirconium Metal-Organic Framework for Deep Flue-Gas Desulfurization and SO2 Recovery”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1.作者通过对原-DUT-67进行HCl处理，在高结晶度、大晶体尺寸、千克规模下进行优化制备，通过溶剂/调节剂的循环使用连续生产而获得Zr-MOF（DUT-67-HCl），用于吸附、分离和回收SO2。

要点2.DUT-67-HCl在热水和浓酸/碱中稳定，表现出从含有痕量SO2的四元烟道气混合物（N2/CO2/O2/SO2，81.8:15:3:0.2）中一步分离SO2的能力大大增强。通过在干/湿条件下的柱穿透实验验证，DUT-67-HCl的SO2捕获能力是DUT-67的两倍，在273 K和1 bar下达到2.06 mmol g-1。

要点3.作者通过原位单晶X射线衍射（SC-XRD）、原位漫反射红外傅立叶变换（DRIFT）光谱、蒙特卡罗（MC）计算和巨正则蒙特卡罗（GCMC）模拟，阐明了DUT-67-HCl中捕获的SO2的结合域，揭示了在Zr6团簇上SO2和OH-/H2O之间形成多个O··H-O氢键对SO2的捕获有显著贡献。在干燥和50%潮湿的条件下进行，可回收96%的纯度。

该工作可能为未来的SO2捕获和回收技术铺平道路，推动MOF合成朝着经济成本、扩大生产和改善理化性质的方向发展。

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研究图文

图1. 合成与晶体结构。

图2. 循环合成、稳定性和孔隙分析。

图3. 气体吸附性能。

图4. 模拟烟气的柱穿透试验。

图5. SO2结合研究。

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文献详情

Scalable and Depurative Zirconium Metal-Organic Framework for Deep Flue-Gas Desulfurization and SO 2 Recovery

Xiao-Hong Xiong, Zhang-Wen Wei, Wei Wang, Liu-Li Meng, Cheng-Yong Su*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c03309