☆ 研究背景與現(xiàn)狀 ☆

近年來，金屬有機骨架材料（MOFs）因其獨特的可修飾性和高穩(wěn)定性而被認為是一種非常有前途和高效的材料，可用于碳捕獲和封存。一些科學(xué)調(diào)查已經(jīng)發(fā)現(xiàn)只需改變官能團，就可以對MOF進行修飾，從而應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

眾所周知，MOF是由金屬離子簇和連接體組成的有機分子，其中連接體是具有孔和連接通道的三維結(jié)構(gòu)。MOF具有不飽和金屬中心，為CO2分子提供更多的活性吸附位點，從而促進它們之間形成強鍵CO2結(jié)構(gòu)。

與沸石等其他材料相比，MOF的優(yōu)點是通常具有更寬的孔，這不僅提高了單個結(jié)構(gòu)中的分子擴散率，而且提高了分子間的擴散率，這就是為什么科學(xué)家們認為MOF有望通過吸附CO2，調(diào)節(jié)孔隙率和表面物理化學(xué)性能。

☆ 結(jié)果與討論 ☆

本工作研究的MOF包括ZIF-8、Zn-MOF-74、Mg-MOF-74、PCN-16、MOF-5、PCN-11、BeBTB、Co-BDP、Mg2(dobdc)、Cu-BTTri、MOF-177、IRMOF-1、IRMOF-6、IRMOF-3、IRMOF-11、Cu BTC、MOF-505、MOF-74和MOF-2。

隨著壓力的增加，根據(jù)室溫等溫線，MOFs孔隙的飽和過程將得到促進。從這些等溫線可以看出，每個MOF的吸收能力與其表面積定性相關(guān)，在當前研究評估的所有類型MOF中，MOF-177、BeBTB、MOF-5和PCN-11表現(xiàn)出相當大的CO2吸附能力且隨著孔徑越大吸附效率越高。在所有提到的多孔材料中進行比較，MOF-177的最大容量為33.5 mmol/g，因為其高表面積(4508 m2/g)幾乎是IRMOF-11的兩倍。圖3a詳細說明了所研究的MOF在298 K溫度下不同壓力下的吸附能力。

圖3b比較了MOF-177和一系列其他MOF在313 K溫度下的CO2吸附效率。研究者還發(fā)現(xiàn)MOF結(jié)構(gòu)上CO2吸附量與表面積和表面極性直接相關(guān)。由于這些特性，更多的CO2將被吸附，即使在低壓下，使用一些MOF也可以實現(xiàn)高吸附，如Cu-BTTri和Mg2(dobdc)。此外，在高壓會顯著影響影響CO2吸附能力。

對于Co-BDP，可以看到吸附等溫線的階梯狀外觀，這可能是由于MOF的框架顯著的靈活性造成的。然而，不得將這一結(jié)果解釋為其他MOF在CO2去除工作中無效性和不實用性，但這意味著MOF-177在35 bar下具有出色的CO2去除能力。

如圖4所示，吸附容量對操作溫度的依賴性相當大，并且通常對于MOF-5，室溫下的CO2吸附容量高于其在313 K時的容量。因此，溫度對二氧化碳吸附效率有負面影響。

換句話說，隨著溫度升高，吸附能力降低。如圖5所示，XGBoost作為最佳模型與Langmuir、Freundlich、Dubinin-Radushkevitch (D-R)和Sips等溫線模型一起使用了PCN-11和Mg-MOF-74的實驗數(shù)據(jù)。

數(shù)字表明，Langmuir和XGBoost模型都很好地預(yù)測了結(jié)果。Langmuir等溫線模型顯示出良好的擬合，PCN-11和Mg-MOF-174的相關(guān)系數(shù)R2值分別為0.999和0.980，但總體而言，XGBoost模型表現(xiàn)出更好的擬合相關(guān)性，兩種MOF的R2值為0.998。

為了研究各種參數(shù)對MOFs吸附能力的影響，相關(guān)系數(shù)定義如下：

其中N，Xkj,Yi,XK,Y分別代表組合數(shù)據(jù)點的個數(shù)、第r個輸入值的第K個參數(shù)、第r個輸出數(shù)據(jù)、第K個輸入?yún)?shù)的均值和輸出的平均值。相關(guān)系數(shù)描述了輸入?yún)?shù)對MOF的CO2去除能力的影響程度。且其值在±1之間。隨著與特定參數(shù)對應(yīng)的相關(guān)的絕對值增加，二氧化碳吸附能力將隨著該參數(shù)的任何變化而發(fā)生更劇烈的變化。

圖6說明了對各種MOF上CO2吸附的每個影響參數(shù)的相關(guān)系數(shù)影響評估。根據(jù)計算的r值，在所有研究的參數(shù)中，只有溫度對吸附容量有負面影響，r=-0.114。此外，發(fā)現(xiàn)MOF的壓力和表面積對CO2吸附容量的影響最大，其r值分別為0.478和0.337，還發(fā)現(xiàn)孔隙體積對MOF的CO2吸附能力有正面影響，因為空隙為捕獲的CO2分子提供了更多的吸附位點。

☆ 研究結(jié)論 ☆

在本研究中，基于決策樹的方法，分類提升(CatBoost)、輕梯度提升(LightGBM)、極限梯度提升 (XGBoost) 和隨機森林 (RF) 以預(yù)測19種不同MOF對二氧化碳的吸附。所實施模型的輸入被選擇為MOF的溫度 (K)、壓力 (bar)、比表面積 (m2/g) 和孔體積(cm3/g)，輸出是CO2吸附能力(mmol/g)。XGBoost、CatBoost、LightGBM和RF模型的均方根誤差RMSE值分別為0.5682、1.5712、1.0853和1.9667。

敏感性分析表明，在所有研究參數(shù)中，只有溫度對CO2吸附能力產(chǎn)生負面影響，并且MOF的壓力和比表面積具有最顯著的影響。在所有實現(xiàn)的模型中，發(fā)現(xiàn)XGBoost是最值得信賴的模型。此外，與不同的等溫線模型相比，該模型顯示出了對實驗數(shù)據(jù)的良好擬合。通過使用XGBoost方法，MOF對CO2的吸附能力得到證實，具有成本效益且可直接應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域。