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第一作者：Rama Oktavian, Ruben Goeminne

通讯作者：Peyman Z. Moghadam

通讯单位：伦敦大学学院

论文速览

2021年，Svante与巴斯夫合作，扩大了CALF-20的生产规模，CALF-20是一种稳定的MOF，具有高燃烧后二氧化碳（CO₂）捕获能力，对水表现出优异的稳定性。CALF-20成功的商业化，为对CO₂捕获至关重要的适当结构和吸附指标提供了新思路。本论文研究了CALF-20金属有机框架（MOF）的气体吸附特性和框架柔性。CALF-20是一种稳定的MOF，其高容量的CO₂捕获能力，对水有稳定性。

作者结合原子级模拟和实验方法，探讨了CALF-20的吸附性能，并揭示了其晶体结构的柔性。通过比较测量和预测的CO₂和水吸附等温线，解释了水-骨架相互作用和氢键（H-键）网络在CALF-20疏水行为中的作用。

此外，通过使用密度泛函理论（DFT）和机器学习势能（MLPs）进行常规和增强采样的分子动力学模拟，揭示了CALF-20中吸附诱导的柔性效应。本研究结果有助于开发其他在潮湿条件下有用的CO₂捕获MOF材料。

图文导读

图1：CALF-20的结构和拓扑。

图2：CALF-20的N₂和CO₂吸附等温线。

图3：原位吸附/PXRD表征CALF-20的结构变化。

图4：第一性原理分子动力学模拟表征的CALF-20结构变化。

图5：空的和客体-负载的CALF-20的自由能变化。

图6：CALF-20中水吸附和H-键的表征。

总结展望

本研究的亮点在于通过实验和模拟相结合的方法，深入研究了CALF-20的气体吸附特性和骨架柔性。研究发现，在273 K时，空-骨架和CO₂载入骨架的孔体积分数差异约为12%，表明吸附的客体分子显著增加了孔空间，为更多的吸附物提供了空间。

此外，通过使用机器学习势能（MLPs）训练增强采样的DFT数据，计算了空-骨架和客体-负载骨架的完整自由能曲线，展示了骨架在客体吸附下的诱导柔性。研究结果不仅为CALF-20的工业应用提供了理论基础，也为设计和开发其他疏水性MOF材料用于CO₂捕获应用提供了新的视角。

文献信息

标题：Gas adsorption and framework flexibility of CALF-20 explored via experiments and simulations

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48136-0