当前位置：首页>南京>西交利物浦丁理峰联合南京工业大学孙林兵教授等 Sep. Purif. Technol:双壳层增强金属有机笼多孔液体进行二氧化碳捕获

西交利物浦丁理峰联合南京工业大学孙林兵教授等 Sep. Purif. Technol:双壳层增强金属有机笼多孔液体进行二氧化碳捕获

2026-08-05 14:19:37

点击上方“蓝字” 关注公众号，发现更多精彩

多孔液体学术公众号编辑推荐语

多孔液体（PLs）融合了多孔固体的永久孔道与液体的流动特性，在CO₂捕集领域备受关注。其中，基于金属有机笼（MOCs）的II型多孔液体因其离散的零维结构与内在空腔，展现出独特的应用潜力。然而，该领域仍面临关键挑战：如何在保持多孔液体良好流动性的同时，最大化利用多孔主体的吸附位点？传统设计中，位阻溶剂分子往往难以进入多孔主体内部空腔，导致大量吸附位点无法被有效利用；同时，如何系统筛选最优的多孔主体材料，也是制约性能提升的瓶颈之一。

近期，西交利物浦大学丁理峰团队联合南京工业大学孙林兵教授等合作单位，在Separation and Purification Technology上发表研究论文。该工作通过高通量计算筛选与分子模拟相结合的策略，在离子液体中构筑了基于MOC的II型多孔液体体系，并揭示了“双壳层CO₂吸附”这一全新的吸附机制——将吸附位点从传统的“孔内”拓展至“界面”，为多孔液体中主体–溶剂–客体的协同吸附设计提供了全新理论框架。

主要内容

文中在金属有机笼（MOC）的多孔液体（PLs）体系中提出了一种双壳层CO₂吸附模式，其通过对具有开放Cu(II)配位位点的MOC结构进行高通量计算，成功筛选出MOC-755921作为高效的CO₂吸附主体材料。随后，作者将MOC-755921引入离子液体IL-NTf₂ 中，构筑得到了II型多孔液体体系。该体系展现出优异的CO₂选择性和吸附性能，在298 K、1 bar条件下实现了0.195 mmol·g⁻¹的CO₂吸附容量，其吸附能力是纯离子液体体系的2.41倍。GCMC模拟进一步揭示了该体系中特殊的双层吸附结构，即由内层和外层组成的双壳层CO₂吸附模式。其中，内层吸附主要来自于金属有机笼内部空腔中CO₂分子与开放Cu位点之间的直接配位作用；外层吸附则存在于笼体与离子液体之间的界面区域，并通过CO₂–离子液体间的相互作用得到稳定。进一步的分子动力学（MD）模拟表明，增强的CO₂捕集性能源于孔道限域效应与界面空腔形成之间的协同作用。该研究揭示了MOC多孔液体体系中CO₂捕集行为的分子机制，并为开发具有主体–溶剂–客体协同作用的新型高性能多孔液体材料提供了重要理论依据。

图文详情

图1. Cu(II)金属有机笼多孔液体（MOC-PLs）用于CO₂捕集的设计流程。步骤1：24种Cu(II)金属有机笼的数据库构建与拓扑结构分析；步骤2：利用GCMC模拟筛选CO₂吸附性能；步骤3：在离子液体IL-NTf₂中对最佳MOC材料进行实验验证；步骤4：通过分子动力学（MD）模拟分析CO₂吸附行为并揭示界面空腔（IfCs）的形成机制。

图2. 基于GCMC模拟筛选Cu(II)基金属有机笼在多孔液体中的CO₂选择性吸附性能。(a) CO₂/N₂（15:85）混合气体系中，不同MOC的CO₂吸附量与CO₂/N₂选择性关系；(b) MOC单独体系与MOC-离子液体复合体系的纯CO₂吸附容量比较。

图3. 用于构筑Cu(II)基金属有机笼及其MOC–离子液体复合体系的配体结构与晶体结构示意图。(a1–a3) MOC-755921、MOC-755924和MOC-755925的构筑单元（配体为L1–L3）；(b1–b3) MOC-755921、MOC-755924和MOC-755925的笼状结构；(c1–c3) MOC-755921、MOC-755924和MOC-755925的MOC–离子液体复合结构。

图4. (a) MOC-IL与纯离子液体的CO₂/N₂吸附等温线对比；(b) 实测的CO₂吸附量与基于MOC和IL独立贡献计算的理论值比较。

图5. 以金属有机笼质心为参考点测得的MOC-755921、MOC-755924和MOC-755925及其对应MOC–IL复合体系中CO₂吸附密度的径向分布函数（RDF）（a1、b1 和 c1）；同时给出了三种MOC单独体系（a2、b2和c2）及其相应MOC–IL复合体系（a3、b3和c3）的球形CO₂吸附密度分布曲线。

图6. MOC–IL体系中CO₂吸附行为的分子尺度机制分析。（a）MOC–IL体系的结构快照，其中绿色表示金属有机笼（MOC）结构，浅粉色表示包围于笼外的离子液体（IL）链；图中突出显示了MOC内部空腔（紫色球体）以及三角形孔窗口（8.34 Å）；（b）MOC–IL体系的空腔结构分布，其中包括中心空腔（13.8 Å）以及位于笼结构外部的界面空腔（5.3 Å）；（c）CO₂吸附密度分布图，展示了三类CO₂吸附区域：内部空腔、孔窗口区域以及界面空腔区域。（d）以笼质心为参考点计算得到的Cu（MOC骨架）、S和N（离子液体）原子的径向分布函数（RDF）；（e）MOC与离子液体的均方位移（MSD）；（f）MOC与离子液体的回转半径（ROG）。

文献详情

Title: Double-shell Enhanced CO2 Capture in Metal-organic Cage-based Porous Liquids

Authors: Mingrui Zuo, Xiaoyu Wu, Manish Kumar Dinker, Mengmeng Zhang, Zhenghao Wu, Liangdan Zhao, Chenrui Li, Tianyu Guo, Linjiang Chen, Lin-Bing Sun*, Lifeng Ding*

To be cited as: Sep. Purif. Technol. 2026, 399, 138319

DOI: 10.1016/j.seppur.2026.138319

通讯作者简介

内容引自超分子科学公众号，如有侵权请联系删除

🎯 多孔液体学术公众号编辑读后感

多孔液体的核心魅力在于将固体的“孔”与液体的“动”合二为一，但长期以来，研究者的注意力几乎全部集中在多孔主体内部的空腔上——似乎只有“孔内”才是吸附发生的唯一场所。丁理峰团队与孙林兵教授合作的这项研究，恰恰打破了这一惯性思维。

该工作最具启发性的贡献，并非在于又发现了一个高性能的MOC材料，而在于揭示了多孔液体体系中一类此前被忽视的吸附位点——界面空腔（IfCs）。通过GCMC模拟与MD模拟的联动，研究证明CO₂的吸附并非仅发生在MOC-755921的内部空腔（内层，与开放Cu(II)位点直接配位），还稳定存在于笼体与离子液体之间的界面区域（外层，通过CO₂-IL相互作用）。在298 K、1 bar条件下，该II型多孔液体实现了0.195 mmol·g⁻¹的CO₂吸附容量，是纯离子液体的2.41倍。这一“双壳层”模式的揭示意味着：在多孔液体中，吸附位点的定义需要被重新书写——它不仅存在于多孔主体的孔道内部，还存在于主体-溶剂界面的动态空腔之中。

从方法论角度看，该研究对24种具有开放Cu(II)位点的Cu(II)基MOC进行了高通量in silico筛选，最终锁定MOC-755921。在多孔液体这一组合空间近乎无限的研究领域，这种“计算筛选先行、实验验证跟进”的范式，比传统的“合成-测试-试错”模式更具效率与前瞻性。丁理峰团队在分子模拟领域的长期积累——包括其提出的“Pore+”概念——为该方法的推广提供了坚实的技术背书。

更具工程意义的启示在于：界面空腔是可以被设计的。既然IfCs的尺寸（约5.3 Å）和存在与否由MOC外表面几何与离子液体分子的动态排布共同决定，那么通过选择不同尺寸、极性和配位能力的离子液体，或对MOC外表面进行官能团修饰，就有望对界面空腔进行定向“剪裁”。这为多孔液体的性能优化开辟了一个全新的设计维度——从“选好孔”到“造好界面”。

展望未来，这项研究的真正价值在于它指明了一个方向：多孔液体的性能突破，未必依赖于不断刷新比表面积的上限，而可能更多地来自对界面微环境的精准调控。当研究者开始系统性地追问“什么样的界面空腔最有利于CO₂富集”“什么样的溶剂-主体组合能最大化双壳层的协同效应”时，多孔液体才真正从“结构有趣”走向“性能可用”。该工作所建立的“双壳层吸附”概念框架，有望推广至CH₄、H₂等其他气体分子的捕集体系，并为低能耗气体分离过程中的界面工程提供了重要的理论锚点。

更重要的是，

这项工作不仅提出了一种新的制备方法，

更建立了一套新的理论框架：

多孔液体类型不仅取决于主体是否可溶，更受到主体—溶剂相互作用、静电作用以及外部空腔形成机制的共同调控。

这一认识突破了传统分类方式，

为理解：

II型形成机制
III型形成机制
外部空腔起源
永久孔隙形成机制

提供了统一解释。

因此，该研究不仅解决了材料制备问题，

更推动了多孔液体基础理论的发展。

孔腔占有率与多分子竞争吸附的动力学模型

扩散系数在纳米孔隙与宏观液体中的跨尺度计算

小编查阅及专业词语说明：目前多孔液体用于气体分离的专业名词较为混乱，根据英文解释及中文词典的准确查阅，吸附（adsorption）一般用于固体，吸收（absorption）一般用于液体，因此，准确来说III型多孔液体作为一种高度稳定均一的“固-液混合物”，在描述气体分离性能应该使用“吸附-吸收”这个联合词语（adsorption-absorption），本词语也是借鉴中国石油大学（北京）陈光进教授团队的文章中的描述。

同时，中文词典里面还有一个词— 吸着（sorption），也可以统称描述固体或者液体的气体分离，本词语的使用同样也是借鉴陈教授指导的博士论文中的描述。

如读者有更好的描述词语，欢迎留言，广泛讨论。

声明：

1. 本文仅供学术交流，不做商业用途，内容若存在版权问题，请联系我们及时处理；

2. 仅代表公众号编辑团队个人观点，水平有限，如有不科学之处，欢迎指正；

3. 欢迎广大读者对本文进行转发宣传。

公众号所属团队：无溶剂纳米流体与多孔液体团队简介

无溶剂纳米流体与多孔液体团队（以下简称“团队”）由西北工业大学资深教授领衔，汇聚西安电子科技大学、空军工程大学、空军军医大学、西安科技大学、南通大学、湖北科技学院、西安航空学院、中航工业第一飞机设计研究院、中航西安飞机制造公司等高校、科研院所和行业优势单位的优秀科研力量，形成了一支以原创研究为导向、多学科深度交叉融合的高水平创新团队。现有教授4人、副教授及研究员17人，其中6人具有海外留学或访学经历，涵盖高分子化学、化学工程与技术、材料科学与工程、计算机科学技术及自动化等多个学科领域。团队现指导博士研究生22人、硕士研究生80余人，构建了层次合理、优势互补、充满创新活力的人才体系。

团队长期聚焦无溶剂纳米流体（Solvent-Free Nanofluids）与多孔液体（Porous Liquids）的基础理论、关键技术及工程应用研究，是国内较早系统开展相关方向研究的科研团队之一。围绕国家重大需求和国际学术前沿，团队持续推进原创材料设计、界面微环境调控及跨尺度性能优化，形成了覆盖基础理论研究、功能材料创制、关键技术开发和工程应用验证的全链条创新体系。近年来，团队研究成果广泛应用于高性能复合材料、光热转换、气体分离与碳捕集、催化转化、生物医学材料以及电磁屏蔽与隐身材料等前沿领域，为先进材料与绿色能源技术发展提供重要支撑。