第一作者：Rama Oktavian, Ruben Goeminne

通訊作者：Peyman Z. Moghadam

通訊單位：倫敦大學(xué)學(xué)院

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2021年，Svante與巴斯夫合作，擴大了CALF-20的生產(chǎn)規(guī)模，CALF-20是一種穩(wěn)定的MOF，具有高燃燒后二氧化碳（CO₂）捕獲能力，對水表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。CALF-20成功的商業(yè)化，為對CO₂捕獲至關(guān)重要的適當(dāng)結(jié)構(gòu)和吸附指標(biāo)提供了新思路。本論文研究了CALF-20金屬有機框架（MOF）的氣體吸附特性和框架柔性。CALF-20是一種穩(wěn)定的MOF，其高容量的CO₂捕獲能力，對水有穩(wěn)定性。

作者結(jié)合原子級模擬和實驗方法，探討了CALF-20的吸附性能，并揭示了其晶體結(jié)構(gòu)的柔性。通過比較測量和預(yù)測的CO₂和水吸附等溫線，解釋了水-骨架相互作用和氫鍵（H-鍵）網(wǎng)絡(luò)在CALF-20疏水行為中的作用。

此外，通過使用密度泛函理論（DFT）和機器學(xué)習(xí)勢能（MLPs）進(jìn)行常規(guī)和增強采樣的分子動力學(xué)模擬，揭示了CALF-20中吸附誘導(dǎo)的柔性效應(yīng)。本研究結(jié)果有助于開發(fā)其他在潮濕條件下有用的CO₂捕獲MOF材料。

圖文導(dǎo)讀

圖1：CALF-20的結(jié)構(gòu)和拓?fù)洹?/span>

圖2：CALF-20的N₂和CO₂吸附等溫線。

圖3：原位吸附/PXRD表征CALF-20的結(jié)構(gòu)變化。

圖4：第一性原理分子動力學(xué)模擬表征的CALF-20結(jié)構(gòu)變化。

圖5：空的和客體-負(fù)載的CALF-20的自由能變化。

圖6：CALF-20中水吸附和H-鍵的表征。

總結(jié)展望

本研究的亮點在于通過實驗和模擬相結(jié)合的方法，深入研究了CALF-20的氣體吸附特性和骨架柔性。研究發(fā)現(xiàn)，在273 K時，空-骨架和CO₂載入骨架的孔體積分?jǐn)?shù)差異約為12%，表明吸附的客體分子顯著增加了孔空間，為更多的吸附物提供了空間。

此外，通過使用機器學(xué)習(xí)勢能（MLPs）訓(xùn)練增強采樣的DFT數(shù)據(jù)，計算了空-骨架和客體-負(fù)載骨架的完整自由能曲線，展示了骨架在客體吸附下的誘導(dǎo)柔性。研究結(jié)果不僅為CALF-20的工業(yè)應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)，也為設(shè)計和開發(fā)其他疏水性MOF材料用于CO₂捕獲應(yīng)用提供了新的視角。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Gas adsorption and framework flexibility of CALF-20 explored via experiments and simulations

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48136-0