Metal-organic frameworks (MOF) är ett lovande material för lagring och separation av gaser, och har visat sig vara särskilt effektiva för koldioxidlagring (CO2). Dessa material, som består av metalljoner eller kluster länkade till organiska ligander genom koordinationsbindningar, kan designas för att optimera specifika funktioner som CO2-adsorption. Genom att manipulera olika faktorer under syntesprocessen kan man signifikant förbättra deras kapacitet och selektivitet för CO2.

Enligt en studie av Qasem et al. visade det sig att MOF-5 och MOF-177 har olika förmåga att lagra CO2 beroende på lagringstrycket. MOF-5 var mest effektiv vid tryck under 5 bar, medan MOF-177 visade sig överlägsen vid högre tryck, särskilt vid 30 bar. Den optimala CO2-upptagskapaciteten för MOF-5 var 21,07 mmol/g, vilket motsvarar 0,93 kg CO2/kg MOF, med en energiförbrukning på 231 kJ/ton CO2. MOF-177 å andra sidan, hade en högre CO2-upptagning på 32,5 mmol/g (1,43 kg CO2/kg MOF), men med en något högre energiförbrukning på 233 kJ/ton CO2. Det är värt att notera att MOF-177 uppvisade lägre energibehov än traditionella lagringssystem som gaskärl, vilket gör den till en mer effektiv lösning.

För att ytterligare förbättra CO2-adsorptionskapaciteten hos MOF har man börjat modifiera dessa material med aminogrupper, vilket ger en betydande ökning av adsorptionskapaciteten, särskilt vid låga tryck. I en studie av Gaikwad et al. visades att aminomodifierade adsorbenter, särskilt de som innehöll tetraetylpentamin (TEPA), hade en nästan fem gånger högre CO2-adsorptionskapacitet vid 298 K jämfört med icke-modifierade adsorbenter. Dessutom bibehöll de modifierade adsorbenterna en stabil kapacitet genom flera cykler av adsorption och desorption, vilket är avgörande för långsiktig användning i selektiv adsorption.

En av de mest intressanta aspekterna av MOFs är deras struktur, som kan anpassas för specifika tillämpningar genom att variera både metallen och liganden som används i syntesen. Övergångsmetaller är vanliga i MOFs på grund av deras förmåga att bilda olika koordinationsnummer och oxidationstillstånd, vilket möjliggör skapandet av MOFs med olika geometrier som kvadratiska, tetrahedrala, oktahedra, trigonal eller pentagonala konfigurationer. Längden på liganderna är också avgörande för gaslagringskapaciteten; längre ligander leder vanligtvis till större lagringsvolymer. Men för långa ligander kan det uppstå problem med att strukturerna trasslar samman och penetrerar varandra, vilket kan minska effektiviteten.

Vid syntes av MOFs är temperaturen en kritisk faktor. Traditionell syntes involverar uppvärmning av material i lösning, medan solvotermiska och icke-solvotermiska metoder använder olika tryck- och temperaturförhållanden. Solvotermiska reaktioner, som ofta sker i Teflonbehållare under autogen tryck, är särskilt fördelaktiga när det gäller att skapa högkvalitativa MOF-strukturer. Men även alternativa metoder som mikrovågssyntes, sono-kemiska och elektro-kemiska tekniker ger nya möjligheter att kontrollera och optimera syntesprocessen för att uppnå önskade materialegenskaper.

En annan spännande utveckling är användningen av fraktaler i MOF-syntes. Fraktaler är geometriska former som visar självlikhet på olika skalnivåer. När denna princip tillämpas på MOF-strukturer förbättras deras yta och tillgång till gasmolekyler, vilket ökar deras förmåga att separera och lagra gaser som CO2. Genom att studera och förstå fraktal geometri kan man skapa ännu mer effektiva MOFs för gaslagring och separation.

För att ytterligare förbättra CO2-adsorptionen har flera strategier föreslagits. En av dessa involverar införandet av öppna metallplatser (OMS), vilket kan öka MOF:ens selektivitet för CO2 och minska interaktionen mellan metalljonerna och lösningsmedelsmolekyler, vilket ofta hindrar gasupptagningen. Aktivatorsteg efter syntes används också för att optimera adsorptionskapaciteten.

Sammanfattningsvis är MOF:s förmåga att fånga och lagra CO2 beroende av flera faktorer, inklusive materialets struktur, liganders funktionalitet och syntesmetoder. Genom att förbättra och modifiera dessa aspekter kan vi avsevärt förbättra effektiviteten och stabiliteten hos MOF-baserade adsorbenter för CO2-lagring.

Hur kan funktionaliserade porösa polymerer förbättra koldioxidupptagning och selektivitet?

Porösa polymerer, särskilt polyarylen-nätverk (PPN) och porösa aromatiska ramar (PAF), har under de senaste åren visat exceptionella egenskaper för koldioxidupptagning. Zhous grupp (PPN-4) och Qius grupp (PAF-3) utvecklade dessa material med hjälp av en optimerad Yamamoto-parsyntes, där PPN-4 uppvisade en av de högsta BET-ytareorna för porösa material, cirka 6461 m²/g, och kunde adsorbera hela 212 viktprocent CO₂ vid 295 K och 50 bar. Detta kombinerades med en utmärkt selektivitet för CO₂ över N₂, vilket är avgörande för effektiv separation. PAF-3 hade en något lägre ytarea på 2932 m²/g men visade också hög selektivitet under omgivande förhållanden.

Trots denna lovande kapacitet begränsas dock PAFs av en relativt låg isosterisk värme av CO₂-adsorption (Qst), vanligtvis mellan 15 och 19 kJ/mol, vilket sätter en gräns för deras användbarhet vid högre temperaturer. Genom att introducera polära organiska grupper till biphenyl-enheten i PAF-1 via Monte Carlo-simuleringar har Babarao och kollegor kunnat öka Qst markant, exempelvis till 21,05 kJ/mol för NH₂-PAF-1, 33,68 kJ/mol för MO-PAF-1 och 30,19 kJ/mol för DHF-PAF-1, vilket klart överstiger ren PAF-1:s 12,76 kJ/mol.

Liknande funktionaliseringar har även applicerats på PPN-6, där introduktionen av sulfonatgrupper (PPN-6-SO₃H och PPN-6-SO₃Li) minskar ytarean från ursprungliga 4023 m²/g till cirka 1250 m²/g, men samtidigt ökar den isosteriska värmen för CO₂-adsorption från 17 till över 30 kJ/mol. Detta beror på starka elektrostatiska interaktioner mellan sulfonatgrupper och CO₂, vilket också förbättrar adsorptionen från 5,1 till över 13 viktprocent vid 295 K och 1 bar. Selektiviteten för CO₂ över N₂ ökar dramatiskt, med värden upp till 414 för PPN-6-SO₃Li enligt IAST-beräkningar.

En annan innovativ ansats är utvecklingen av difunktionella konjugerade mikroporösa polymerer (CMP) med sulfonat- och hydroxylgrupper, syntetiserade via Pd-katalyserad Sunogashira-Hagihara koppling av bromfenolblått och di- eller triethynylbensen. Optimering av molarförhållandet mellan etynyl- och bromfunktioner i monomererna resulterade i hög ytarea, exempelvis 1316 och 1470 m²/g för två typer av CMP. Trots hög ytarea uppvisade bifunktionaliserade nätverk lägre termisk stabilitet (cirka 250°C jämfört med 400°C för ofunktionaliserade CMP), vilket sannolikt beror på de polära gruppernas påverkan på materialets struktur. Denna funktionalisering ökade bindningsstyrkan till CO₂, men minskade i vissa fall adsorptionens kapacitet eftersom funktionella grupper kan blockera porerna.

Ytterligare framsteg har gjorts med metallmodifierade CMPs, där Xia et al. framställde koppar- och aluminiumkopplade CMPs med hög ytarea och porvolym, där Co-CMP särskilt visade högre BET-ytarea (965 m²/g) och större porvolym än många kända metallorganiska ramverk (MOFs). Dessa material kombinerar gaslagringskapacitet med katalytiska egenskaper, vilket möjliggör CO₂-förvandling vid rumstemperatur och atmosfärstryck – en lovande väg för kostnadseffektiva koldioxidreducerande processer.

Kovalenta organiska polymerer (COP) har också blivit en betydande del av forskningen på grund av deras hydrotermiska stabilitet och kemiska mångfald, vilket är nödvändigt för storskalig CO₂-separation där vatten och ånga är närvarande. Xiang och medarbetare har syntetiserat COP med höga hydrotermiska egenskaper via nickel(0)-katalyserad Yamamoto-polymerisation, vilket resulterar i polymerer som kombinerar stabilitet med effektiv koldioxidbindning.

Det är avgörande att förstå balansen mellan funktionalisering och porstruktur när man utvecklar adsorbenter för CO₂. Funktionella grupper förbättrar bindningsstyrkan och selektiviteten men kan samtidigt minska tillgänglig porvolym genom porembesättning. Termisk stabilitet och hydrotermisk resistens är också kritiska faktorer för praktisk användning. Den kombinerade utvecklingen av högytande, selektiva och termiskt stabila porösa polymerer, med skräddarsydd kemisk funktionalisering och metallsamordning, representerar en framtidsinriktad väg mot effektiva och ekonomiskt gångbara lösningar för koldioxidfångst och -omvandling.

Hur fungerar massöverföring i nanofluiders absorption av koldioxid och vilka material optimerar CO2-fångst?

Massöverföringsmekanismer i nanofluiders absorption av koldioxid är komplexa och påverkas starkt av fluidens sammansättning, partikelstorlek och interaktionen mellan gas och vätska. Studier visar att nanofluider, genom att integrera nanopartiklar i basvätskor, kan förbättra transporten av CO2 genom att öka kontaktytan och främja snabbare diffusion. Dessa mekanismer är avgörande för att utveckla effektiva system för storskalig koldioxidavskiljning och konvertering, där målet är att minska utsläppen från industriella processer.

Porösa organiska polymerer (POP) och hyperkorslänkade polymerer (HCP) har visat sig vara särskilt lovande som adsorbenter för CO2. Dessa material kännetecknas av hög specifik yta och justerbara porstrukturer, vilket möjliggör selektiv adsorption av koldioxid vid låg trycknivå. Nitrogen-dopade porösa kolmaterial, ofta framställda från hyperkorslänkade polymerer, förbättrar dessutom adsorptionsegenskaperna genom att tillföra basiska ytor som binder CO2 molekyler via kemisorption.

Forskning inom metall-organiska ramverk (MOFs) har bidragit med betydande insikter kring hur molekylär design kan optimera gasseparation. MOFs erbjuder stor flexibilitet i strukturen och funktionaliseringen, vilket möjliggör selektivitet gentemot CO2 över andra gaser som metan. Kombinationen av MOFs med jonvätskor har visat sig ytterligare öka selektiviteten, där jonvätskornas interaktioner förstärker bindningen till koldioxidmolekyler.

Utöver materialets porositet och kemiska sammansättning är modifieringar som postsyntetisk funktionalisering av polymermatriser centrala för att förbättra CO2-separation. Funktionalisering med aminer eller sulfonatgrupper skapar aktiva sites som stärker koldioxidbindningen och möjliggör reversibel adsorption, vilket är avgörande för praktisk användning i cykliska processer.

Effektiv CO2-fångst kräver inte bara hög adsorptionskapacitet utan även snabb massöverföring, stabilitet och återanvändbarhet. Nanopartiklar och polymernätverk kan förbättra den mekaniska stabiliteten och värmeöverföringen inom adsorbenten, vilket i sin tur påverkar processens effektivitet och energiåtgång. Det är också av vikt att förstå hur mikroporösa och mesoporösa strukturer samverkar för att balansera kapacitet och kinetik i adsorptionen.

Många av de undersökta materialen är inte bara lämpade för fångst utan även för katalytisk konversion av CO2 till värdefulla produkter, såsom bränslen. Den katalytiska potentialen ökar med funktionalisering som möjliggör bindning och aktivering av CO2 under milda förhållanden, vilket öppnar vägen för integrerade system för avskiljning och omvandling.

Viktigt är att betrakta CO2-fångst inte som en isolerad teknologi utan i ett bredare systemperspektiv där materialens egenskaper, processdesign och energiförbrukning optimeras tillsammans. Förståelse för dynamiken i gasvätske- och gasfastfasinteraktioner, liksom materialens stabilitet under reala förhållanden, är avgörande för kommersiell implementering.

Förutom att utveckla nya adsorbentmaterial måste läsaren beakta utmaningar som skala upp tekniker från labb till industri, hantera konkurrerande gaser och integrera fångstprocessen i existerande energisystem. Energi- och materialeffektivitet är nyckelfaktorer, liksom miljömässig hållbarhet vid produktion och återvinning av adsorbenter.

Hur kan neurala och symboliska metoder kombineras för att förbättra visuell resonemang?
Hur förutsägs flödesdynamik och aerodynamisk prestanda för en isig skevving?
Hur fotboll och våld knyts samman i en era av omvälvning
Hur kan TLA+ tillämpas för att verifiera tvåtrådigt program?