精选
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 PathwaysHai-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
目前，人工智能的实现主要基于算法，这需要具有大算力的芯片来进行数据处理。芯片的算力和人工智能的发展是相辅相成的。在传统的冯·诺依曼架构中，中央处理器(CPU)和存储器的分离会导致数据传输过程中的延迟和能量消耗(图1a)。为了突破这些瓶颈，近年来出现了NVIDIA的多核图形处理器(GPU)和谷歌的张量处理器(TPU)，以及基于非易失性存储器(NVM)的存内计算(IMC)技术(图1b)。铁电存储器(FeM)器件由于低功耗、高速度和优异的疲劳特性，在IMC应用方面具有独特优势(图1c)。
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
白璐
本文通讯作者
中国科学院 副研究员
▍主要研究领域
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。
▍个人简介
中国科学院过程工程研究所副研究员，在Nat. Commun., Chem. Rev., Chem. Eng. J., J. Membr. Sci.等期刊发表论文70余篇，参编英文书2部；申请发明专利25项，其中授权发明专利10项；主持国家自然科学基金委面上项目、中国科学院仪器设备研制项目等。入选中国科学院青年创新促进会，获中国化工学会科学技术奖“基础研究成果奖”一等奖等。
姚明水
本文通讯作者
中国科学院 研究员
▍主要研究领域
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。
▍个人简介
中国科学院过程工程研究所，介科学与工程全国重点实验室副主任、研究员、博导、课题组长。以一作/通讯作者的身份在PNAS，Angew. Chem.Int. Ed. (5), Adv. Mater., Natl. Sci. Rev. 等期刊发表文章30余篇(总80余篇)，其中包括6篇ESI高被引论文，3篇入选Angew. Chem. Int. Ed.内封面/底，2篇分别入选Front. Chem. Sci. Eng.和Dalton Trans.封面，单篇最高他引500余次(2篇)，总引5000余次；授权中国发明专利8项，实用新型专利1项。撰写Wiley与英国皇家化学会出版专著章节两章。入选日本学术振兴会(JSPS)外国人特别研究员(日本京都大学，Susumu Kitagawa院士)、欧盟“地平线2020”计划 “玛丽-居里”学者(Marie Sklodowska-Curie IF，英国伯明翰大学，S. Du教授、R. Steinberger-Wilckens教授)。兼任中国科学院大学化工学院岗位教授，任Nano Research、Chinese Journal of Chemistry和Chinese Journal of Structural Chemistry编委/青年编委。
张香平
本文通讯作者
中国科学院 研究员
▍主要研究领域
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。
▍个人简介
中国科学院过程工程研究所/中国石油大学(北京)，研究员/教授。享受国务院特殊津贴，获国家杰出青年基金资助，入选国家“百千万人才工程”。主持国家重点研发计划项目、国家自然基金重点、国家自然基金委国际(地区)合作与交流、北京市自然基金重点等项目，开发了多套绿色技术并实现了产业化。在Nature Commun, Chem Rev, AIChE J, Chem Eng Sci, Energy Environ Sci, Green Chem, J Membr Sci等发表SCI论文260余篇，授权发明专利60余项，曾获国家自然科学二等奖、中国化工学会科学技术奖基础研究成果奖一等奖、闵恩泽能源化工奖杰出贡献奖、朱李月华优秀教师奖、李佩优秀教师奖等奖励和荣誉。任《过程工程学报》副主编；《化工进展》编委；国际期刊Green Chem Eng副主编；Fluid Phase Equilibria编委；中国化工学会第40届理事会理事。
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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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%，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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