Nat.Mater.：新型MOF材料清除大氣污染物二氧化硫

　　二氧化硫作為世界衛生組織認定的五大空氣污染源之一，主要產生于煤炭燃燒和航海運輸中的尾氣排放。與此同時，二氧化硫也是一種用于生產硫酸的重要工業原料。傳統的石灰石/石灰脫硫工藝會產生大量的廢渣廢液，帶來二次污染，已不能達到日益嚴苛的環保標準，因此人們一直致力于研究更加高效率低能耗的新型脫硫技術。金屬有機框架（Metal Organic Framework, MOF）材料是一類由金屬離子或金屬簇單元與有機配體構建形成的新型多孔功能材料。MOF類材料擁有超大表面積和多孔性質，具有高度結晶性，孔道內部有排列規則、密集的吸附活性位點，使得其在氣體吸附方面有很多優越的性質。但由于二氧化硫的毒性和腐蝕性，目前將MOF材料應用于吸附和轉化二氧化硫的研究依然相對較少。

　　近日，曼徹斯特大學楊四海/Martin Schr?der教授團隊發現了一種有機金屬框架化合物MFM-170，在室溫常壓（298 K, 1 bar）的條件下對二氧化硫的吸附量高達 17.5 mmol/g，該吸附量遠高于目前發現的其他MOF、COF和多孔材料。此外，得益于MFM-170的高度穩定性，其對二氧化硫的吸附是一個完全可逆的過程。在常溫下通過減壓的方式，吸附飽和的MFM-170可將二氧化硫完全釋放；脫附后的MOF材料可以再次用于吸附二氧化硫，而釋放出來的二氧化硫也可以進一步應用到合成其他工業原料中。

圖1. MFM-170 的晶體學結構。圖片來源：Nat. Mater.

圖2. MOF材料對二氧化硫吸附量的總結。圖片來源：Nat. Mater.

　　通過測量MFM-170對包括二氧化硫在內的多種氣體的等溫吸附曲線和動態流動床實驗，研究者證明了其對二氧化硫的選擇性高效吸附。MFM-170對二氧化硫的吸附量遠高于氮氣、二氧化碳和一氧化碳。在干濕條件下，MFM-170均能從流動的混合氣體中有效地捕捉二氧化硫。

圖 3. 等溫吸附曲線和動態流動床實驗。圖片來源：Nat. Mater.

　　研究者通過一系列晶體學和光譜學的表征手段，包括原位同步輻射X-光衍射、非彈性中子散射，精確地展示出了MFM-170所具有的三種不同類型的孔道，以及二氧化硫在其孔道內的六個不同的作用位點。吸附的二氧化硫集中于第一種和第三種孔道中。在第三種孔道中，二氧化硫與配位不飽和的銅離子的作用占主導地位。這說明其最主要的作用位點是MFM-170中配位不飽和的銅離子。

圖4. 二氧化硫在MFM-170孔道中的吸附位點。圖片來源：Nat. Mater.

　　小結

　　該研究發現了一種高度穩定、對二氧化硫有極高選擇性吸附的MOF材料。在常溫條件下實現了多次吸附脫附和對材料的循環使用，并通過多種實驗手段闡釋了這種優越性能背后的分子機制。相關工作發表在Nature Materials 上。