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Constructing Amine-Functionalized Hierarchically Porous Porphyrin-Based Metal–Organic Frameworks for Highly Enhanced Direct Air Capture of CO2

材料科学 物理吸附 吸附 二乙烯三胺 胺气处理 化学工程 氨基甲酸 金属有机骨架 聚乙烯亚胺 三甲胺 无机化学 有机化学 化学 复合材料 工程类 基因 生物化学 转染
作者
Xinyu Chen,Jinhai Leng,Fengying Ma,Jianqing Wu,Yi Jin,Fanglian He,Chao Yang,Haomin Huang,Xuquan Liu,Chongxiong Duan,Shanshan Shang,Daiqi Ye
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (34): 48360-48374 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsami.5c11754
摘要

Direct air capture (DAC) of carbon dioxide (CO2) has emerged as a prominent negative carbon emission technology for mitigating the greenhouse effect. Among various adsorbents, amine-functionalized metal–organic frameworks (MOFs) have shown exciting potential as adsorbents for atmospheric CO2 capture. However, the intrinsic microporosity of many MOFs restricts amine loading and uniform dispersion, diminishing the CO2 adsorption efficiency. In this study, we synthesized a series of hierarchically porous porphyrin-based MOF (HP-PMOF) featuring high-density defects and a combination of micro- and meso- and macropores. The HP-PMOF was subsequently functionalized with short-chain alkyl amines (diethylenetriamine (DETA) and tetraethylenepentamine (TEPA)) and polyamines (polyethylenimine (PEI)) to form HP-PMOF–Amine composites. Evaluations of these adsorbents demonstrated a significantly enhanced CO2 capture performance in DAC applications. Static CO2 adsorption isotherms revealed that HP-PMOF–DETA achieved the highest CO2 uptake of 1.40 mmol g–1, representing increases of 140 and 20 times over unmodified PMOF and HP-PMOF, respectively. Dynamic DAC performance measurements showed that HP-PMOF–DETA maintained 84% regeneration efficiency after ten cycles under 400 ppm of CO2. Breakthrough tests demonstrated enhanced CO2 adsorption capacity across varying relative humidity (0–80%) compared with dry conditions. Mechanistic insights from in situ DRIFTS studies and DFT calculations indicated that, under dry conditions, physisorption and chemisorption synergistically occur between CO2 and amine groups of DETA, forming carbamate or carbamic acid species. Under humid conditions, water facilitated the adsorption of CO2 by promoting the conversion of ammonium carbamate to bicarbonate. This work underscores the significant potential of amine-functionalized hierarchically porous MOFs for advancing the efficacy of DAC technologies.
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