Nano-Micro Letters研究背景
氨气(NH₃)是现代工业和农业生产的重要原料，用于生产化肥、制药和合成纤维等。同时，NH₃是大气中唯一的碱性微量气体，影响环境颗粒物的酸碱性及大气化学反应等，过量NH₃的排放导致各种环境问题，如雾霾天气、生态系统富营养化、土壤酸化等。因此，含NH₃气体的有效捕集对资源高效利用和环境保护均具有重要意义。本文综述了近年来的氨捕集材料的研究进展，希望为开发具有良好稳定性、高性能的NH₃捕集材料提供指导，促进新兴材料的高效利用。
Advanced Materials for NH₃ Capture: Interaction Sites and Transport Pathways
Hai-Yan Jiang, Zao-Ming Wang, Xue-Qi Sun, Shao-Juan Zeng, Yang-Yang Guo, Lu Bai*, Ming-Shui Yao* & Xiang-Ping Zhang*.
Nano-Micro Letters (2024)16: 228
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01425-1
本文亮点
1. 从相互作用位点和传递路径两方面综述了近年来的氨捕集材料。
2. 重点介绍了氨捕集材料的分类、工作原理、设计思路，并结合具体实例分析了其中的构效关系。
3. 概述了氨捕集材料的当前挑战和未来发展方向。
内容简介
中国科学院过程工程研究所白璐、姚明水、张香平等针对NH₃捕获过程中的关键分离介质，简要综述了离子液体和低共熔吸收剂、多孔固体吸附剂和膜分离材料的最新进展，并讨论了以多孔液体为关键捕获材料的新兴杂化技术的潜在应用，提出了NH₃捕集材料当前研究的挑战和未来的发展方向。
图文导读
材料的设计和开发是高效氨捕集的关键。一般来说，高性能材料通常含有丰富的氨吸附位点和快速的氨传递通道，从而实现氨分子的有效捕获和释放。根据材料特性和捕集原理，NH₃捕集材料可分为以下四类，如图1所示：功能吸收剂、吸附剂(多孔固体)，吸收-吸附复合材料(多孔液体)和膜分离材料。
图1. NH₃捕集材料的分类及工作原理。
I 功能吸收剂
离子液体由于特有的低挥发性、较高的化学/热稳定性、良好气体溶解性和选择性及阴阳离子结构可设计性等优势，已成为气体分离领域备受关注的一类新型吸收剂，其中开发高性能可逆的氨吸收的离子液体是目前的研究热点。在本节中，结合具体实例从NH₃作用位点的类型、数量和作用强度方面(如图2)讨论了各类离子液体及其衍生物(低共熔溶剂)的吸收-解吸性能、吸收前后的物性变化和构效关系。
图2. 功能吸收剂的氨作用位点。
II 多孔固体吸附剂
除液体吸收剂外，多孔固体吸附剂也被应用于氨气捕集分离。多孔固体材料中丰富的孔隙为NH₃的快速传输提供了通道，同时有效避免了酸洗法导致的腐蚀问题。目前，已报道的多孔吸附材料大致可分为四种类型(图3)：传统无机多孔材料(CIPMs)，多孔有机聚合物(POPs)、晶态多孔材料(CPMs)和复合吸附材料。通常，CIPM类材料，如活性炭，成本低且易于制备，但与NH₃分子之间的相互作用较弱，因此目前主要集中于酸改性方法的研究，以提高材料的氨吸附容量。POPs中由聚合物链段堆积形成的孔隙和链段上的功能基团可显著提高材料的氨吸附性能。此外，具有有序孔结构和强相互作用的CPMs，如金属有机框架材料(MOFs)、氢键骨架材料(HOFs)和共价有机骨架材料(COFs，也属于POPs)也表现出高的NH₃吸附能力和快速的吸附动力学。与此同时，复合材料，尤其是离子液体复合材料也表现出优异的NH₃吸附性能。
图3. 四种多孔固体的NH₃作用位点和传输路径。
III 多孔液体
多孔液体结合了液体流动性和多孔固体的固有孔隙率，易于与现有设备(如泵)耦合。不同于传统液体，多孔液体由具有永久空腔的多孔主体构成，这些空腔可作为气体传输路径，从而提供高容量和快速吸附动力学。2007年，贝尔法斯特女王大学James等人首次提出“多孔液体”的概念，根据多孔主体存在形式的不同，其可分为以下三类，如图4所示。其中，I型是由本身含有空腔且具有流动性刚性分子构成，II型和III型是由多孔空腔溶解或均匀分散于位阻溶剂构成。由于多孔空腔的坍塌、分解或分子间自填充，多孔液体的合成仍是目前的难点。此外，尽管用于NH₃捕集分离的多孔液体还未报道，但其仍极具发展潜力，且上述提及的离子液体和各类晶态多孔材料可为新型高性能多孔液体的开发提供新思路。
图4. 传统液体和三类多孔液体的示意图。
IV 膜材料
膜分离是另一个极具发展前景的NH₃捕集方法，其可以直接获得气态氨组分。然而，不同于CO₂捕集膜材料，对于氨分离膜材料的研究较少。目前的研究热点主要集中在膜材料的开发设计，以提高NH₃的渗透性和选择性。提高性能的有效的措施之一是引入相互作用位点以增强NH₃在膜表面的吸附，另一方面则是构建传输路径加速NH₃在膜中的扩散。
V 总结与展望
含NH₃气体的有效捕集对资源高效利用和环境保护均具有重要意义。本文从相互作用位点和传递路径两方面综述了近年来的氨捕集材料的研究进展，并讨论了以多孔液体为关键捕集材料的新兴杂化技术的潜在应用。未来发展中，结合人工智能设计并预测材料的氨捕集性能，筛选合成条件和工艺参数有望缩短研发周期。此外，大规模绿色制备方法、工艺优化自适应捕集氨气等值得进一步研究。
作者简介
本文通讯作者
离子液体膜材料设计制备、纳微结构原位表征及气体分离研究等。
本文通讯作者
围绕晶态多孔颗粒间与颗粒内动态表界面调控与表征的关键科学问题，开展多孔晶体材料合成、器件制备与原位工况池表征。
本文通讯作者
化工热力学及系统集成、离子液体绿色介质和工业应用、气体分离、CO₂分离转化利用、CO₂电催化还原。
关于我们
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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