在"大学生创新创业训练计划"（S202412715056X）的支持下，由西京学院材料与化工系本科生团队主导的"新一代纳孔材料研发及产业化"项目取得突破，项目负责人为应用化学专业22级的宋怡萱。

（一）项目简介

随着工业化、城镇化的快速发展，我国经济取得了举世瞩目的成就。然而，环境污染日益严重，大气污染问题日益严重。工业源依然是大气污染物的最主要来源，而工业废气排放的来源复杂，组成多样。工业废气主要由有毒害VOCs（Volatile Organic Compounds, 挥发性有机物）、氮氧化物、硫化物等气态污染物以及可吸入颗粒物（Particulate Matter，PM）组成。目前，工业废气需要采用吸附法，即使用活性炭、分子筛等传统多孔材料，将废气中的污染物吸附在多孔材料的孔道中，对VOCs、氮氧化物、硫化物等污染物进行一定程度的处理。然而，这一方法存在着材料吸附饱和失效，这一无法避免的问题，废气处理系统需要定期监控、更换、维护，从而增加了使用成本。

多孔材料历经四个发展阶段，进入到高度三维有序结构。金属有机框架材料(Metal-Organic Frameworks，MOFs)是由金属离子节点和有机配体连接而成的具有无限网络结构的三维规整骨架材料，具有纳孔特性，且比表面积大、孔隙率大、孔径分布均匀。因此，基于MOFs的复合纳孔材料被认为是最有推广前景和应用价值的工业废气处理用的快速吸附和催化转化双功能材料。

金属有机骨架的结晶度较低是传统合成中长期困扰的难题，本项目发明了一种有机配体与金属离子的混合方式，取代了先前的直接倒入的方法，实现了金属离子和有机配体之间以最佳配比和连续流动的方式相互混合，促使混合时间和结晶时间一致，实现连续流动生产。该合成过程包括：通过在线混合方式将至少两种不同的前驱体溶液混合以形成金属有机骨架材料。一个原料罐中的前驱体溶液包含至少一个多齿连接配体在水中；另一个前驱体溶液中包含在水中的一种或多种金属簇或其金属盐，通过机械泵和流量计控制前驱体溶液的进样速度，前驱体溶液通过在线混合在进料导管中混合，进一步将溶液混合物引入管状流动反应器中，该反应器主要包括一个长度可调的环形线圈构成的管状流动反应器，在管式流动反应器内促进反应以形成金属有机骨架材料，溶液混合物流过环形线圈，在温度可调的管状流动反应器反应生成金属有机骨架材料。连续流动生产技术取代了先前的直接将两种前驱体溶液倒入的方法，实现了金属离子和有机配体之间以最佳参数混合，促使混合时间和结晶时间一致，混合液在螺旋线圈中，在加热下，发生配位自组装，形成孔道结构三维规整有序、且各向同性的纳孔材料，产物收集在产品罐中，最后通过过滤和干燥获得最终的产物。在传统的晶体生长过程中，机械搅拌会导致二次成核，从而降低晶体尺寸，导致低的结晶度，而且通常需要数小时甚至数天的反应时间，才能获得最终的产物。连续流动生产技术，不需要机械搅拌，在流动的螺旋管道中发生反应，通过控制流速和螺旋管道的长度，从而缩短了反应时间并大大提高了材料的结晶度。

（二）项目发展方向

MOFs在废气处理领域的研究将向多维度纵深发展。目标场景从固定源（火电厂、化工厂）向移动源（新能源汽车尾气、航空发动机）及室内空气净化延伸，例如车载MOFs过滤器对PM2.5的截留效率已达99.97%。碳中和目标驱动下，MOFs在碳捕集（如DAC直接空气捕集）与废气资源化（如CO₂电催化制甲酸）中的双重功能备受关注。跨学科融合（如MOFs-微生物耦合系统降解二噁英）将开辟污染治理新范式。

金属有机框架材料（MOFs）的理性设计是提升其废气处理性能的核心方向。通过精确调控孔径尺寸（如微孔向介孔扩展）、引入功能性配体（如氨基、羧基）及优化金属节点（如Zr、Fe、Cu基MOFs），可显著增强对挥发性有机物（VOCs）、氮氧化物（NOₓ）及硫化氢（H₂S）等污染物的选择性吸附能力。

人工智能与计算化学的深度融合正在颠覆传统材料研发模式。基于机器学习的MOFs虚拟筛选平台（如MOFomics数据库）可预测十万级候选材料的吸附等温线、扩散动力学等关键参数，极大加速高性能材料的发现周期。

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