开发类分子筛材料助力温室气体捕获

张健，男，博士，研究员，1978年出生于湖南省新邵县。2001年7月毕业于厦门大学化学系；2001年9月～2006年7月硕博连读于中国科学院福建物质结构研究所，获博士学位；2006年10月～2009年9月在美国加州州立大学长滩分校化学与生物化学系与卜贤辉教授开展手性与微孔材料方面的博士后研究工作；2009年9月获聘福建物质结构研究所“百人计划”回国工作，担任结构化学国家重点实验室研究员、课题组长。至今已在国际知名期刊上发表SCI论文110余篇，被他人引用超过2000次。目前作为课题负责人承担国家973计划项目、中科院“新兴与交叉学科布局”试点项目、福建物质结构研究所“百人计划”项目、国家自然科学基金面上项目、福建省杰出青年基金项目、结构化学国家重点实验室团队攻关项目等多项研究课题。2011年先后获得第十一届福建青年科技奖，中国化学会青年化学奖和Scopus青年科学之星铜奖；2012年先后入选福建省引进高层次创业创新人才，第三届“中科院上海分院系统杰出青年科技创新人才”和中组部首批“青年拔尖人才支持计划”。

当前，如何缓解气候变暖是世界各国讨论的热点，二氧化碳的减排已是全球共识。目前，使用氢气、太阳能等清洁能源替代常规能源，被认为是改善二氧化碳对环境影响的有效手段之一，近年来二氧化碳捕获与封存技术的出现，又让人们看到了有效利用二氧化碳的希望。所谓二氧化碳捕获与封存技术（carbon capture and storage，CCS），就是把工业生产中化石燃料燃烧产生的CO2收集起来，并将其安全地存储于地质结构层及其他可以封存的地方，从而达到减少CO2排放、防止气候恶化的目的。如果全球大量的二氧化碳能够得以捕获然后封存或有效转换，将会对缓解气候变暖有着深远的意义。

在此，吸附材料对于二氧化碳的捕获来说有着巨大的作用。现有的吸附材料主要以化学和物理法吸附型材料为主，有机醇胺、碱金属氧化物等化学吸附材料在吸附/脱附CO2时，一般能耗比较高，经济效果不明显；而对于活性炭、分子筛、硅胶等物理吸附材料来说，它们的吸附容量又非常有限。目前各国的研究人员都将目光聚焦在了开发新型、高容量、高选择性的多孔吸附材料上。

张健博士自2009年回国以来，在福建物质结构研究所独立组建了一支研究队伍，以二氧化碳的高效捕获为目标，致力于新一代类分子筛功能材料的探索和研究。他将工作目标瞄准类分子筛功能材料研究，逐步形成了属于自己的新颖功能材料研究体系。一般人熟悉的微孔沸石分子筛具有多孔晶态特性和高的化学和热稳定性，从上世纪60年代开始已经成为石油化工领域中最重要的吸附与催化材料，而他们的研究工作主要是基于希望在无机分子筛的结构体系中掺入有机单元，提升这类材料的比表面积和拓宽其在精细化工、手性不对称催化和环境催化方面的进一步应用，开发新型的无机－有机类分子筛材料。类分子筛功能材料是通过有机配体连接金属或金属簇中心构筑的具有分子筛拓扑结构的微孔化合物，主要具有以下特点：1、合成方法简单，原料廉价，机械性能较好；2、具有高的表面积；3、结构可设计和修饰；4、是高度有序的晶态材料。与传统无机分子筛相比，类分子筛材料可以选择不同金属离子、次级建筑单元，通过配体修饰等多种手段，实现在分子反应性和材料目标性能间建立联系。例如，针对可以将手性配体引入到材料结构中实现单手性类分子筛催化材料的合成，并应用于有机非均相不对称催化反应。在多孔材料研究领域，类分子筛功能材料是一重要的研究热点，在氢气存储、温室气体二氧化碳捕获和小分子催化等能源与环境相关领域有潜在的应用前景。

通过多方的反复实验，张健课题组利用最轻的金属锂与硼基咪唑类四齿配体自组装合成了首例具有分子筛型拓扑的轻质多孔金属有机多孔配合物材料。这类孔材料具有相当低的密度并且具有良好的气体存储性能，为超轻气体存储材料的研发提供了重要的基础。此外，张健带领课题组的同仁还成功结合了分子筛中的TO4四面体单元和ZIFs中的金属咪唑四面体单元，组装出了一类新型的杂化分子筛材料（HZIFs）。这类新的HZIFs材料具有比ZIF材料更高的热稳定性（达到550 oC）。另外，HZIFs结构中含有潜在的TO4催化作用位点，在选择性催化氧化苯甲醇至苯甲醛和可见光催化降解甲基橙废液等方面都表现出了良好的性能。 这项研究成功展示了新一代无机-有机杂化型分子筛材料的设计合成策略，为新型多孔材料的开发提供了思路。除此之外，张健课题组还获得了具有断键型结构的类A型分子筛材料，并且同时应用巧妙的结构设计思想，将A型沸石分子筛网络降解为3-连接模式，利用三齿的有机硼咪唑配体与四面体配位的金属组装实现了断键型的类分子筛材料的合成，用这种方法合成的材料表现出了良好的气体吸附性能。此外，张健课题组还通过模拟无机硅铝分子筛的组分特征，设计合成了由碱土金属离子模板构筑的锌/铜金属有机类分子筛框架材料，成功合成了由无机和有机双重柔性基元构筑的具有呼吸效应的微孔金属有机框架材料，该材料对二氧化碳气体具有非常高的选择性吸附性能，部分材料在常温、常压下，能够吸附3.3mmol/g的二氧化碳。如何实现多孔材料在常温低压下(0–40 oC, 0.1 atm)对CO2的高选择性吸附能力，是一个非常具有挑战性的课题。张健课题组合成了一个手性的具有三重穿插金刚石拓扑网络的多孔材料，该材料能够实现在0 oC和0.1 atm下对二氧化碳吸附能力高达2.7mmol/g，为这类材料的实际应用奠定了良好的基础。

科学研究道路是永无止境的，张健以天道酬勤的精神自勉，始终坚持在自强不息的奋斗之旅上跋涉，在科研攻关的高峰上攀登，书写人生精彩。