东南大学汪勇教授和郑州大学王景教授—最新 JACS:COFs 多孔液体迎重要进展!仿生界面工程攻克高选择性与耐湿性协同难题
大气CO₂浓度的持续攀升使高效碳捕集技术的开发愈发迫切。液胺洗涤作为工业主流方案，因再生能耗高、溶剂降解及腐蚀问题而制约其经济可行性。以沸石、金属有机框架(MOFs)和共价有机框架(COFs)为代表的纳米多孔固体吸附剂，兼具高比表面积、精确孔环境与可调活性位点，在气体储存与分离领域展现出强劲潜力。然而，诸多新兴CO₂分离场景要求材料具备分散性、液相相容性或流动集成能力——这恰恰是传统固态吸附剂难以企及的局限。多孔液体(Porous Liquids, PLs)因兼具纳米多孔固体的结构精度与液体的可加工性和界面适应性而备受关注。然而，现有PLs主要依赖物理吸附，对气体分子的化学辨识能力有限；在动态溶剂化的液相环境中稳定构建具有明确配位结构的活性位点，至今仍是重大挑战。针对上述瓶颈，郑州大学王景教授与东南大学汪勇教授在Journal of the American Chemical Society发表了一项创新成果：通过构建仿生液固界面，在III型多孔液体中实现了类酶Zn-OH化学吸附位点的原位生成，为耐湿性选择性CO₂捕集开辟了新路径。本文要点：
多孔液体（PLs）结合了可及的微孔隙性与类液体流动性，能够突破传统固体吸附剂的宏观传质限制，实现连续操作。然而，在保持多孔液体流动性与界面稳定性的同时提升其化学选择性，仍是一项根本性挑战。
在此，报道了一种仿生型III类多孔液体，通过将Zn²⁺配位的共价有机框架（COF）骨架与羟基功能化离子液体（IL）相结合，在流体环境中实现了类酶的Zn-OH化学吸附。
离子液体阳离子上的羟基通过向内配位，激活三嗪基COF骨架中的Zn²⁺节点，生成结构精确的Zn-OH活性中心，并使其处于仿生固液界面中。该界面上由离子液体诱导产生的极性梯度选择性地允许CO₂进入而排斥H₂O。
这种反直觉的界面分离策略保留了COF的微孔性并保护了反应活性Zn-OH中心，从而在环境条件下实现了高化学吸附容量（106 cm³ g⁻¹）和优异的CO₂/N₂选择性（1273）。
原位红外光谱直接捕获了可逆的Zn-OH/Zn-OCO₂H循环，原子模拟揭示了离子液体驱动的配位作用与极性梯度如何稳定Zn-OH结构单元并引导CO₂渗透。
这些发现为在流动多孔介质中构建具有化学特异性和湿气耐受性的活性位点建立了通用的分子设计原则，开创了液相材料中选择性化学吸附的新范式。
本研究的设计灵感源于α-碳酸酐酶(α-CA)的催化机制——该酶依托Zn-OH基团对CO₂进行亲核攻击，在温和条件下形成Zn-OCO₂H中间体，实现快速可逆的CO₂固定。将这一生物范式迁移至多孔液体体系，需要同时解决三大难题：在液相动态环境中维持结构明确的活性位点；保留COF骨架的本征微孔；防止水分子竞争性占据金属活性中心。研究团队通过模块化III型多孔液体策略，将永久多孔的Zn配位共价有机框架(Zn-COF-1和Zn-COF-2)分散于羟基功能化离子液体([C₁₄MIMOH]⁺[NTf₂]⁻)中。离子液体阳离子上的末端羟基向内配位至COF骨架的开放Zn²⁺位点，原位生成结构明确的Zn-OH基团，同时阳离子的疏水烷基链与[NTf₂]⁻阴离子向外富集，形成极性梯度界面层，选择性允许CO₂穿透而阻挡水分子进入。这一"向内亲水、向外疏水"的界面自组织使多孔液体同时实现了活性位点保护与分子选择性识别。界面结构表征
X射线光电子能谱(XPS)证实，多孔液体形成后Zn 2p₃/₂峰正移0.3–0.4 eV，表明IL羟基与Zn²⁺之间发生了配位而非氧化态改变。分子动力学(MD)模拟揭示，IL分子优先在COF外表面富集，形成界面溶剂化层，而不进入本征微孔。径向分布函数分析表明，Zn²⁺与IL羟基氧的配位数(2.56)远高于与[NTf₂]⁻的配位数(0.36)，进一步验证Zn-OH位点形成的选择性。DFT计算则表明Zn-OH相互作用能(−2.16 eV)显著优于Zn-[NTf₂](−1.57 eV至−2.05 eV)，从能量层面支持了上述配位偏好。透射电子显微镜(TEM)与元素面扫描确认C、Zn、F元素均匀共存于同一区域，IL与COF在纳米尺度高度整合。粉末X射线衍射(PXRD)证实COF骨架晶体学有序性在液相中完好保留。氙气吸附测试进一步验证，分散于IL后COF本征微孔仍然开放可及。气体吸附性能
Zn-COF PLs在298 K下呈现陡峭的低压CO₂吸附上升与明显的吸附–脱附迟滞，表征其化学吸附特征；Zn-COF-1 PL的CO₂吸附量达106 cm³ g⁻¹(以框架质量归一化，298 K，1 bar)。基于理想吸附溶液理论(IAST)计算的CO₂/N₂(15/85 v/v)选择性，Zn-COF-1 PL和Zn-COF-2 PL分别达1273和409，在已报道吸附材料中处于领先水平。吸附机制可分解为两个协同贡献：低压区以Zn-OH化学吸附为主，决定了选择性分离的关键区域；高压区COF孔道填充的物理吸附逐渐增强，贡献整体容量。经120 °C热真空再生，连续8次吸附–脱附循环后CO₂吸附量保持稳定，循环后TEM和XPS均未见结构或配位环境退化。耐湿性能方面，Zn-COF PLs的水蒸气吸附量比纯COF粉末降低一个数量级以上，等温线接近纯IL，表明液相中的水吸附由离子基质界面屏蔽主导而非COF微孔吸附。经30天及3个月湿度暴露后，两种PLs均保留逾88%的初始CO₂吸附容量，展现出优异的长期湿稳定性。化学吸附机制的原位证据
原位漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)在CO₂/N₂(15/85)气流下实时追踪了Zn-OH的化学转化过程：O–H伸缩区(3740–3660 cm⁻¹)表现出与CO₂暴露相关联的谱权重渐进性重分布，指向Zn-OH氢键环境的逐步改变；1473 cm⁻¹附近OCO相关吸收带的持续增长与Zn-OH信号的演化形成协同关联，直接捕捉到Zn-OH→Zn-OCO₂H的化学转化过程。切换至N₂/80 °C后，物理吸附CO₂(ν₃~2360/2340 cm⁻¹)迅速消失，而碳酸氢盐型中间体缓慢脱附，印证了Zn-OCO₂H位点的热可逆性。CO₂预饱和实验进一步提供收敛证据：预饱和后Zn-COF-1 PL的100 kPa CO₂吸附量从106降至40 cm³ g⁻¹，与Zn-OH位点被Zn-OCO₂H物种暂时占据高度一致。DFT计算揭示，Zn-OH对CO₂(ΔEads = −32.8 kJ mol⁻¹)和H₂O(−30.3 kJ mol⁻¹)的本征结合能相近，但实际体系中水的进入受到界面疏水壳层的动力学与位阻双重抑制——CO₂体积更小、极性更弱且具有强四极矩，更易穿透该界面。CO₂活化自由能剖面显示，CO₂物理吸附中间体(ΔG = −33.0 kJ mol⁻¹)转化为OOCOH化学吸附态(−51.4 kJ mol⁻¹)的活化能垒为45.1 kJ mol⁻¹，与室温下快速形成Zn-OCO₂H及80 °C温和再生相吻合。科学价值与意义
本研究的核心贡献在于提出了一套界面配位化学驱动的多孔液体设计范式：利用功能化离子液体在COF-IL界面原位生成酶仿生活性位点，同时通过极性梯度界面层实现CO₂准入与水分子排斥的反直觉界面分离，将多孔液体从被动物理吸附体系升级为化学定义的选择性捕集平台。该研究为以下方向提供了重要启示：(1) 在流态软物质体系中稳定化配位活性位点的普适性界面工程策略；(2) 基于极性梯度设计实现分子选择性穿透的新机制；(3) 利用仿生化学在液相多孔介质中构建耐湿选择性活性中心的概念验证。文章信息
Muning Chen, Zikang Li, Jing Wang*, Congcong Yin, Jingtao Wang, Yatao Zhang, Yong Wang*Journal of the American Chemical Society, 2026DOI: 10.1021/jacs.5c21997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。
图文编辑：Zhao We
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。
团队简介
无溶剂纳米流体与多孔液体团队（下文简称团队）由西北工业大学资深教授领衔，核心研究骨干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、西安航空学院、湖北科技学院、中航工业一飞院/西飞等多所高校与科研机构的教师及研究员。团队目前拥有教授4人、副教授及研究员18人，其中8人具备海外留学背景，专业布局横跨高分子化学、材料科学、化学工程与计算机技术等多学科前沿。团队指导在读博士15人、硕士70余人，共同构成一支结构合理、视野开阔、交叉融合的高层次科研队伍。
团队长期致力于新型无溶剂纳米流体与多孔液体的原创研发与功能化应用，前瞻性布局于高性能复合材料、光热转换、气体分离、催化转化、生物医学及电磁屏蔽/隐身材料等尖端领域，构建了“基础理论-材料创制-工程应用”全链条贯通的协同创新体系，推动基础研究与技术转化的协同发展。近3年来，团队承担国家级、省部级及行业重要课题共计51项，其中国家自然科学基金9项，国防科工委、工信部、中央高校科研业务费及央企/国企课题42项。
团队累计发表SCI论文400余篇（统计时间：2025年11月30日），获授权国际及国内发明专利70余项。团队在国际上较早系统开展无溶剂纳米流体与多孔液体研究，尤其在多孔液体领域取得系列突破性进展，已发表相关论文90余篇。团队创立并运营的“多孔液体”学术公众号已成为国内该领域的权威交流平台，多项成果获美国化学会（ACS）官网专题报道（相关链接见往期推送的无溶剂纳米流体与多孔液体专辑）。
团队积极构建开放的协同创新生态，国内与中科院化学所/北航/武大/天大/南大/中石大（北京/华东）/北化/南工大/江大等科研院所的相关团队深度合作；国际与新加坡国立大学（NUS）、美国康奈尔大学（Cornell）、沙特国王科技大学（KAUST）等世界知名学府及研究所保持紧密交流与合作。团队拥有完善的性能评价与研发平台，配备力学/阻尼测试、正电子湮没寿命谱（PALS）、常压/超高压气体吸附/吸收/膜分离、光热转换、原位催化转化等先进仪器设备。目前，核心技术已在航空航天领域实现成功应用，包括作为高性能复合材料增强填料、耐腐蚀涂层及特种润滑油添加剂等；在能源化工领域，用于气体分离、光热转换及催化转化等方向展现出巨大潜力。多项成果经鉴定已达国际先进水平，已在陕西榆林、咸阳及浙江宁波系统布局中试基地，正全力推进从实验室到产业化的衔接，为技术规模化应用与迭代升级奠定坚实基础。
多孔液体与无溶剂纳米流体研究团队
善总结 乐分享 同进步 共发展
