氨气（NH3）是全球需求量最大的大宗化工原料之一，它不仅是现代农业化肥的基石，还在化工业中用于生产高附加值材料，更是未来极具潜力的绿色能源载体。然而，延续了一百多年的工业“哈伯-博施”法合成氨流程，单次反应转化率非常低（通常不足20%）。为了收集生成的氨气并循环利用原料，工厂不得不使用极其耗能的深度制冷冷凝技术（通常需降温至-25 ℃）。这一“重工业”环节消耗了大量的能源。开发出一种能在常温常压下高效捕获、分离氨气的固体吸附材料，是实现绿色低碳合成氨的关键。近日，复旦大学李鹏教授团队发表了一项突破性研究成果。研究团队另辟蹊径，利用一种极其简单、廉价且易得的有机小分子——均苯四甲酸（PMA），在纯水体系中成功制备出一种独特的软骨架氢键有机框架材料——FDU-HOF-4。

传统的吸附材料（如沸石、活性炭等）通常像布满密密麻麻微孔的“刚性硬石头”，依靠固有的孔道来“塞满”气体。然而，氨气具有极强的腐蚀性和反应活性，极易把这些传统材料的结构“腐蚀”或堵死，导致材料短时间内失效。 复旦大学团队合成的这种 FDU-HOF-4 材料在初始状态下其实是“非孔”的致密晶体，内部并没有现成的孔道。但神奇的是，当它遇到氨气时，展现出了类似海绵的“自适应整比吸附行为”。在低压或低浓度下，它不仅吸得快，而且吸附量极大。 利用精细的单晶 X 射线衍射技术和原位粉末衍射技术，研究人员彻底看清了这一神奇的微观过程：当氨气分子靠近时，它会与材料中的羧酸基团发生强烈的酸碱化学反应，生成电荷辅助的氢键。这种力量会促使原本紧密堆积的分子晶体一步步精准膨胀、撑开孔道（晶胞体积最大可膨胀约 32%）；而当氨气释放后，晶体骨架又会奇迹般地无损回缩，严丝合缝地恢复原状。这种如同生物“呼吸”般的晶体结构动态转变，赋予了该材料超凡的耐受性。 测试结果表明，FDU-HOF-4 在常温常压下的氨气吸附量达到了惊人的 25.2 mmol/g，即便在极低浓度的低压区（10 mbar），其吸附量也高达 15.1 mmol/g，远远超越了目前已知的各类尖端多孔骨架材料（如 MOF 骨架材料和传统沸石）。

更令工业界兴奋的是它的实用潜力： 

1.超强的选择性： 它对氨气“情有独钟”，对混合气体中的氮气、氢气、甲烷等几乎完全不理睬。 

2.极高的稳定性： 氨气吸附材料最怕“水汽干扰”和“老化失效”。而该材料在潮湿环境甚至直接暴露在空气中长达一年，吸附性能完全没有衰减。 

3.超低能耗回收： 吸附饱和后的“海绵”，只需在95 ℃的温和条件下加热抽真空，就能在短短80分钟内将氨气完全释放出来，释放出的氨气纯度高达99.999%以上，直接达到了电子级超高纯氨的标准。 

该工作近日发表在在国际化学领域顶级期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上。

文章链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.6c04962