化石燃料的广泛使用导致燃烧过程中大量 SO₂与 CO₂协同排放，SO₂的释放会引发酸雨、呼吸道疾病等严重环境与健康问题，工业烟气脱硫成为控制 SO₂污染的关键手段。传统烟气脱硫技术存在二次污染、脱硫效率不足、吸附剂再生性差等固有缺陷，亟需开发高效、可循环、高选择性的吸附材料。共价有机框架（COFs）凭借高孔隙率、结构可调性和良好化学稳定性，在气体吸附分离领域展现出巨大潜力，其 SO₂吸附容量显著优于活性炭等传统材料。然而，工业烟气中普遍存在的水汽会导致多数 COFs 吸附性能大幅下降，这一难题严重限制了其实际应用。此外，烟气中 SO₂浓度仅为 ppm 级，且存在 CO₂等竞争组分，要求吸附材料在低分压下仍能与 SO₂形成强相互作用。基于此，引入弱碱性位点（如吡啶氮原子），利用其与 SO₂在潮湿条件下的协同作用，成为解决 CO₂耐潮湿脱硫难题的潜在方案。

北京工业大学李建荣/陈强团队通过在 COFs 中引入吡啶基团，创新开发了水辅助 SO₂捕集策略，成功攻克了吸附材料在潮湿烟气中性能下降的行业痛点。所制备的 TpTtp 材料在模拟工业烟气中表现出卓越的 SO₂吸附能力，潮湿环境下吸附量显著提升，且循环稳定性优异，选择性突出。这项研究不仅揭示了吡啶基团与水协同强化 SO₂吸附的内在机理，还为工业烟气深度脱硫提供了兼具高效率、耐潮湿、可循环特性的新型材料，对控制 SO₂污染、保护生态环境具有重要现实意义，具备广阔的工业应用前景。相关研究成果发表于国际顶级期刊《Chemical Communications》( IF4.2 )。

研究团队选取 1,3,5-三甲醛间苯三酚（Tp）为构筑单元，与含吡啶基团的芳香胺单体通过席夫碱反应及不可逆的烯醇-酮式互变异构，合成了两种吡啶功能化 COFs（TpBpy 和 TpTtp），同时制备了不含吡啶基团的同构类似物（TpBD 和 TpTta）作为对照材料。结构表征显示，四种材料的粉末 X 射线衍射（PXRD）图谱与模拟结果高度吻合，证实合成成功；氮气吸附测试表明它们均具备良好孔隙率，饱和氮气吸附量分别约为 170、310、230 和 180 cm³/g。稳定性测试显示，TpBpy 和 TpTtp 在水汽、酸性水溶液处理后，PXRD 图谱无明显变化，展现出优异的化学与热稳定性，满足工业烟气脱硫的严苛工作条件。

吸附性能测试在模拟烟气（2500 ppm SO₂、15% CO₂、N₂为平衡气）中开展，对比干燥与 50% 相对湿度条件下的吸附效果。干燥环境中，TpBD、TpBpy、TpTta 和 TpTtp 的 SO₂吸附量分别为 0.74、0.64、0.73 和 0.75 mmol/g，而在 50% 相对湿度下，TpBpy 和 TpTtp 的吸附量分别提升 21.9% 和 36.0%，TpTtp 吸附量达 1.02 mmol/g，反观 TpBD 吸附量下降 29.5%，TpTta 仅轻微提升 4.1%，充分证实吡啶基团在潮湿条件下对 SO₂吸附的促进作用。循环稳定性测试中，TpTtp 经过五次连续吸附-脱附循环，SO₂吸附量维持在 0.90-1.03 mmol/g，无明显衰减，彰显其良好的结构稳定性与可重复使用性。

机理研究结合傅里叶变换红外（FT-IR）光谱与密度泛函理论（DFT）计算。FT-IR 光谱显示，TpTtp 在潮湿 SO₂氛围中出现 1005 cm⁻¹ 处的特征峰，对应亚硫酸根的 S-O 伸缩振动，表明 SO₂与水反应生成亚硫酸；同时吡啶相关特征峰从 1502 cm⁻¹ 位移至 1491 cm⁻¹，证实吡啶氮原子发生质子化。DFT 计算表明，TpTtp 与亚硫酸的结合能高达 69.76 kJ/mol，吡啶基团的弱碱性可使水合 SO₂分子去质子化，形成 NH⁺…HSO₃⁻离子对。为验证机理通用性，作者合成了 TpBpy 的同构类似物 TpBpy-2，其在 50% 相对湿度下 SO₂吸附量提升 20.4%，与 TpBpy 的性能增强趋势一致，进一步证实水辅助化学吸附机理的普适性。此外，理想吸附溶液理论（IAST）计算显示，四种 COFs 均具备高 SO₂/CO₂选择性，吸附热数据证实材料对 SO₂的结合亲和力显著高于 CO₂，保障了复杂烟气中的脱硫选择性。

本研究通过在化学稳定的 COFs 框架中引入吡啶基团，成功开发出一种水辅助 SO₂捕集策略，有效解决了传统 COFs 在潮湿烟气中吸附性能衰减的关键难题。两种吡啶功能化 COFs（TpBpy 和 TpTtp）均展现出优异的 SO₂吸附性能，其中 TpTtp 表现最为突出，干燥条件下 SO₂吸附量为 0.75 mmol/g，50% 相对湿度下提升 36.0% 至 1.02 mmol/g，且经过五次循环吸附-脱附后仍保持稳定吸附容量。机理分析明确，潮湿条件下 SO₂先与水反应生成亚硫酸，再与吡啶基团的氮原子发生化学相互作用，形成离子对结合形式，这种水-吡啶-SO₂协同作用是吸附性能提升的核心原因。该研究不仅验证了吡啶功能化作为耐潮湿 SO₂吸附材料的设计有效性，还阐明了水辅助化学吸附的内在机制，为开发工业烟气深度脱硫用高性能吸附材料提供了重要指导，推动了 COFs 在实际烟气处理中的应用进程。

原文链接: 10.1039/d5cc04274g

文章来源：Funchem

文章中 气体吸附测试数据	测试内容	参考仪器
	SO₂/CO₂ 的吸附等温线	BSD-660系列 全自动高通量 高性能气体吸附 及微孔分析仪
	SO₂/CO₂/N₂ (50%RH) 混合气体的 多组分竞争 吸附穿透曲线	BSD-MAB 多组分竞争吸附 穿透曲线分析仪

贝士德 吸附表征 全系列测试方案