2025年2月26日，南开大学材料科学与工程学院卜显和院士/李柏延特聘研究员团队联合浙江师范大学/福建师范大学陈邦林院士团队在国际顶级学术期刊《Nature Chemistry》上发表题为“Flue Gas Desulfurization and SO₂ Recovery within a Flexible Hydrogen-Bonded Organic Framework”的研究性文章。该研究提出一种自适应柔性氢键有机框架材料设计的新方法，此方法首次开发了一种兼具形状记忆和自适应孔道的疏水氢键有机框架材料，以解决在实际高湿度烟道气中选择性吸附二氧化硫（SO₂）的难题，并通过解析负载SO₂的单晶结构解释了分子层面的作用机理，对于进一步开发和拓展具有特异性高效气体吸附分离材料提供了新思路。

SO₂作为烟气的主要成分（通常包含氮气（N₂）、二氧化碳（CO₂）、SO₂等），源于化石燃料的利用，已对人类健康和环境造成了严重影响。目前，基于石灰石洗涤或湿法硫酸工艺的烟气脱硫（FGD）技术能够去除大约95%的SO₂，但能耗极高。基于SO₂的分子质量（SO₂/CO₂: 64.07 vs. 44.01）、偶极矩（SO₂/CO₂: 1.63 vs. 0 D）、极化率（SO₂/CO₂: 47.7 × 10^-25 vs. 26.5 × 10^-25 cm³）和沸点（SO₂/CO₂: 265 vs. 216 K）等特性，理论上可以开发适用于SO₂/CO₂分离的多孔材料。然而，要实现那些主要吸附SO₂且几乎不吸附CO₂的高效分离材料非常困难，因为CO₂分子的动力学直径（4.1 Å）明显大于CO₂的动力学直径（3.3 Å），这意味着传统的尺寸排斥原理（较小的分子可以通过孔道/笼状结构，而较大的分子被阻挡）无法应用于这种特殊情况。事实上，尽管一些表现优异的金属有机框架材料（MOFs）通过固定开放金属位点、M—OH位点或较弱的苯基C—H与SO₂分子之间的相互作用（如方向性相互作用或氢键）来吸附SO₂，但这些材料也不可避免地吸附了大量的CO₂分子，面临着开发用于高效SO₂/CO₂分离的金属有机框架材料的巨大挑战。

图1. a) HOF-NKU-1制备过程示意图；b) HOF-NKU-1在298 K条件下，SO₂、CO₂、CH₄、N₂和O₂的等温吸附曲线；c) 常温下孔隙中SO₂储存密度的比较。

本研究报道的氢键有机框架材料（HOF-NKU-1）具有优异的SO₂/CO₂分离性能，SO₂选择性超过7000，SO₂储存密度（3.27 g cm^-3）在所有基准材料中为最高值。与传统的依赖亲水性开放金属位点或M—OH位点的高性能SO₂吸附剂相比，这些吸附剂通常会不可避免地导致高水吸附量和严重的竞争吸附，而HOF-NKU-1的水吸附量（17 mg g^-1）在所有报道的SO₂多孔吸附剂中最低（已报道的金属有机框架的水吸附量在160~820 mg g^-1之间）。与传统的刚性或灵活框架材料相比，后者通常表现为选择性差或门控开压力过高，利用具有形状记忆效应（SM效应）和客体适应特性的临时相态的氢键有机框架实现了在低压区域的高吸附量和高选择性。单晶到单晶（SCSC）转变证实了SO₂与框架的强相互作用导致了高密度SO₂二聚体的堆叠，这正是其优异SO₂捕获性能的原因。

图2. a) 通过单晶X射线衍射（SCXRD），SO₂诱导的GA特性及可逆单晶到单晶（SCSC）结构转变；b) 邻近分子之间的π–π相互作用、氢键以及S(δ⁺)···(δ^-)O−C偶极-偶极相互作用；c) 在湿度条件下（3% H₂O，3000 ppm SO₂，15% CO₂，3.5% O₂，81.2% N₂，总流量20 mL/min）进行的SO₂/CO₂/O₂/N₂混合气体柱突破测试。

值得一提的是，论文的第一作者是青岛科技大学2012级校友李林（2012.09-2016.06，就读于青岛科技大学（化学与分子工程学院）；2016.09-2021.12，就读于北京化工大学（软物质科学与工程高精尖创新中心）；2021.12-2024.11，南开大学博士后，合作导师：卜显和院士），2024年12月加入浙江师范大学 化学与材料科学学院，多功能框架研究院（负责人：陈邦林院士），现为浙江师范大学“双龙学者”特聘教授。相关研究得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，中国博士后科学基金等资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41557-025-01744-9