Only Perception: 新 ZIFs 材料能選擇性地捕捉 CO2

2008-02-16

新 ZIFs 材料能選擇性地捕捉 CO2

New materials can selectively capture carbon dioxide
http://www.physorg.com/news122219510.html

February 14, 2008

UCLA 化學家在 2/15 當期的 Science 期刊上報告在減少吸熱（heat-trapping）二氧化碳排放上的一項重要領先。

科學家證明它們能夠成功地離析與捕捉對全球暖化、海平面上升以及增加海洋酸度有所貢獻的二氧化碳。他們的發現將使得發電廠能有效地捕捉二氧化碳而無須使用有毒物質。

"選擇性移除二氧化碳的技術性挑戰已經被克服了，" Omar M. Yaghi 說，UCLA 的 Christopher S. Foote 化學教授，同時也是本論文的共同作者。"一如我們所示範的，現在我們有結構，那能夠精確地定做以捕捉二氧化碳，並像貯存器那樣儲藏它。沒有二氧化碳會逃逸。沒有一丁點會逃跑 -- 除非你想要這麼做。我們相信它將是碳捕捉當中的一種轉折點。"

二氧化碳是利用 Yaghi 等人所設計的某種新材料，稱為 zeolitic imidazolate frameworks（ZIFs，沸石咪唑類框架），來捕捉。這是種多孔且在化學上很強健的結構，具有大規模的表面積，那能夠被加熱至高溫而不會分解，而且在水終或有機溶劑中煮沸達一週都仍保持穩定。

Rahul Banerjee，UCLA 的化學博士後研究學者，以及 Anh Phan，UCLA 化學畢業生，二者均在 Yaghi 的實驗室中工作，合成了 25 種 ZIF 結晶結構，並證明其中三種（ZIF-68, ZIF-69, ZIF-70）對於二氧化碳具有高度的選擇性。

"ZIFs 對於二氧化碳的選擇性比其他任何材料更無與倫比，" Yaghi 說，他指導 UCLA 的 Center for Reticular Chemistry（網狀化學中心），同時也是 UCLA California NanoSystems Institute 的成員之一。"Rahul 與 Anh 在製造新 ZIFs 上如此成功，為了要報告此結果，我還得要求他們住手。"

ZIF 的內部能貯存氣體分子。拍動它表現就猶如化學上的旋轉門等價物，讓某些分子 -- 此例中是二氧化碳 -- 通過，並進入儲存器中，且同時阻擋較大的分子或不同形狀的分子。

"我們可篩選我們想要捕捉的某類型分子，" Phan 說。"這種化學性質的美妙之處在於我們擁有選擇所要的「門種類」的自由，並控制什麼東西能通過這扇門。"

"二氧化碳的捕獲創造出更乾淨的能源，" Yaghi 說。"在一根煙囪當中的ZIFs 能在二氧化碳被遞送到地質上的儲存空間之前，於細孔內被捕捉。"

在 ZIFs 68、69 與 70 中，Banerjee 與 Phan 使細孔淨空創造出一種開放的（open）框架。他們接著將此材料拿到氣流 -- 例如：二氧化碳與一氧化碳以及另一道二氧化碳與氮氣的氣流中 -- 而我們只會捕捉到二氧化碳。他們正在測試其他各式各樣的 ZIFs 應用。

二氧化碳會殺死畜欄內與海中的生物，危害將不可逆，至少達許多個世紀， Yaghi 提到。

當前，發電廠二氧化碳排放的捕捉程序涉及有毒化學物質的使用，而且需要用到 20% - 30% 的電廠能量輸出，Yaghi 說。相較下，ZIFs 能從其他氣體中取出二氧化碳，而且能比多孔碳材料，那代表目前最先進的技術，儲存 5 倍以上的二氧化碳。

"對於每公升的 ZIF 而言，你可以保留 83 公升的二氧化碳，" Banerjee 說。

Zif 這個字眼，Yaghi 提到，在聖經中是用來描述一個壯麗的地區。它也意指賞心悅目與光輝明亮（譯註：有明亮之意；一年第二個月的名稱，相當於四到五月，見舊約列王紀 6:1 與 6:37）。這個名稱與這種新物質相符，他說，因為其成員當中有許多都具有相當漂亮的構造。

在根本層次上，ZIFs 的發明也對付了沸石科學中的二大主要挑戰。沸石相當穩定，是種以鋁、矽、氧所製成的多孔材料，被用石油的提煉也用於清潔劑及其他產品中。Yaghi 的小組成功地替換掉原本被鋁或矽，還有如鋅、鈷等金屬離子所佔據的位子，並將氧與咪唑類（imidazolate）橋接（bridging）以產生 ZIF 材料，其結構現在能以功能性與公制（functionality and metrics）設計。

Banerjee 與 Anh 將合成程序給自動化。並非在某一時刻的某種反應中混合化學物質，且在每日當中達成數種反應，相反地，他們能夠在不到一小時之內完成 200 種反應。這一對運行 9600 種微反應（microreactions）並從這些反應中發現 25 種新結構。

"我們每天持續生產新的 ZIFs 結晶體，" Banerjee 說。" 這些反應所產生的結晶體看起來跟鑽石一樣漂亮。

共同作者是 Bo Wang，UCLA 化學系 Yaghi 實驗室的畢業生；UCLA California NanoSystems Institute 網狀化學中心的 Carolyn Knobler 與 Hiroyasu Furukawa；以及 Arizona 州立大學學與生物化學系的 Michael O'Keeffe。

在 1990 年初，Yaghi 發明另一種材料稱為 metal-organic frameworks （MOFs，金屬有機框架），那被描述成結晶的海綿，它也牽連到較潔淨的能源。Yaghi 幾乎能隨心所欲地改變 MOFs 的組成。如同 ZIFs，MOFs 也有細孔 -- Yaghi 等人能在奈米尺度上的孔洞（openings）中儲存通常很難儲存與運輸的氣體。

Yaghi 的實驗室已製造出數百種 MOFs，那具有不同的特性與結構。分子能毫無阻礙地進出。

※ 相關報導：

＊ High-Throughput Synthesis of Zeolitic Imidazolate Frameworks and Application to CO2 Capture
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/319/5865/939

Rahul Banerjee, Anh Phan, Bo Wang, Carolyn Knobler,
Hiroyasu Furukawa, Michael O'Keeffe, Omar M. Yaghi
Science 15 February 2008: Vol. 319. no. 5865, pp. 939 - 943
DOI: 10.1126/science.1152516

＊ Exceptional chemical and thermal stability of zeolitic imidazolate frameworks
http://www.pnas.org/cgi/content/abstract/103/27/10186

Kyo Sung Park, Zheng Ni, Adrien P. Cote, Jae Yong Choi,
Rudan Huang, Fernando J. Uribe-Romo, Hee K. Chae,
Michael O'Keeffe, and Omar M. Yaghi
PNAS - July 5, 2006 - vol. 103 - no. 27 - 10186-10191
doi: 10.1073/pnas.0602439103