二氧化碳（CO2）是一种主要的温室气体，它调节地球的温度，并在光合作用和呼吸作用等基本生物过程中发挥重要作用，从而对全球气候产生显著影响。[1] 煤和石油等化石燃料中的碳最初是由植物通过光合作用从大气中固定下来的。大气中的CO2浓度由其来源和汇之间的动态平衡决定。主要来源包括化石燃料燃烧、生物呼吸作用和土地利用变化，而海洋和陆地生态系统则作为主要的汇吸收CO2。[2],[3],[4] 然而，近几十年来，快速的工业化和人类活动的加剧显著增加了大气中的CO2含量。自20世纪中叶以来，化石燃料燃烧产生的CO2排放量持续增加，这凸显了迫切需要有效策略来减少排放并缓解人为气候变化。[5],[6],[7]
二氧化碳捕获技术主要分为燃烧后、燃烧前和富氧燃烧方法。[8] 在目前应用的工业技术中，基于胺的洗涤法仍然是最广泛使用的方法。其他捕获策略包括物理吸附和化学吸附、膜分离、吸附、基于水合物的分离、化学循环燃烧和低温蒸馏。[9] 其中，吸附技术已成为碳捕获和储存（Carbon Capture and Storage，CCS）领域最有前景的技术之一。在基于吸附的过程中，CO2通过CO2分子与吸附剂表面之间的分子间相互作用从气体混合物中选择性分离出来。[8],[10] 固体吸附剂因其相对较低的成本和节能的再生能力而特别具有吸引力。[11] 有效吸附剂的性能受关键参数的影响，如高CO2选择性、较大的比表面积和出色的再生能力。常用的固体吸附剂包括碳基材料、金属有机框架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）、沸石、周期性介孔有机硅（Periodic Mesoporous Organosilicas，PMOs）、固定化的离子液体系统以及多孔有机聚合物（Porous Organic Polymers，POPs）。[8],[12],[13]
多孔材料及其功能改性在多种应用中展现了巨大的实用性，使其成为了一个重要且快速发展的研究领域。自20世纪40年代以来，沸石等多孔材料的成功合成突显了它们的卓越吸附能力。[14] 在各种多孔材料中，多孔有机聚合物（POPs）近年来受到了广泛关注。POPs是不含金属的有机多孔材料，由碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）和硼（B）等轻元素组成。[15] 与传统和先进的多孔材料相比，POPs具有独特的结构和物理化学优势，使其成为下一代功能性材料的有希望的候选者。这些优势包括高比表面积、可调的孔隙结构、低密度、优异的化学和热稳定性、多样的结构以及丰富的通道和化学反应活性位点。[16],[17]
值得注意的是，POPs特别适合用于环境友好的CO2捕获。已经对多种POPs亚类进行了广泛研究，包括共价三嗪框架（CTFs）、多孔芳香框架（Porous Aromatic Frameworks，PAFs）、共价有机框架（Covalent Organic Frameworks，COFs）、超交联聚合物（Hyper-Crosslinked Polymers，HCPs）、具有内在微孔性的聚合物（Polymers of Intrinsic Microporosity，PIMs）和共轭微孔聚合物（Conjugated Microporous Polymers，CMPs）。[15],[18],[19] 聚合物框架中的杂原子通过强偶极-四极相互作用增强了CO2的吸附能力。特别是富含氮的POPs对CO2的亲和力更强，这表明它们在高效碳捕获和环境可持续性方面具有巨大潜力。[20],[21],[22]
氧（O）、硫（S）和氟（F）等杂原子，单独或与氮（N）结合，已通过适当功能化的单体聚合成功引入多孔有机聚合物（POPs）中，显著提高了CO2的吸附性能。Thomas等人报道了通过含有腈基的前体进行三聚反应合成共价三嗪框架（CTFs），得到了具有高杂原子含量和较大比表面积的共轭材料。[23],[24] 由于三嗪键的存在，CTFs在CO2捕获和储存方面引起了越来越多的关注，这主要归功于它们富含氮的框架、丰富的微孔结构和优异的化学及热稳定性。
氮原子的引入产生了杂原子效应（Heteroatom Effect，HAE），这对提高CTFs在气体分离及相关应用中的吸附性能起着关键作用。除了三嗪单元外，氮还可以通过合理设计的官能团引入，进一步增强HAE效应。[25],[26] 作为共价有机框架（COFs）的一个子类，CTFs由通过强共价键连接的三嗪构建块组成，相比许多配位连接的多孔材料具有更高的稳定性。强C=N键的存在、内在的富氮骨架以及引入额外杂原子的灵活性，使CTFs成为CO2吸附的非常有前途的候选者。此外，除了气体分子性质和表面化学外，还需要仔细优化关键的结构参数——包括表面积、孔体积和孔径分布——以设计出高效的分离CO2的吸附剂。[27],[28],[29],[30]
章节摘录
材料
1,4-二氰苯（98%）购自Sigma-Aldrich。蒽-9,10-二羧醛（98%）、2,5-二羟基对苯二甲醛（95%）、2,5-二甲氧基对苯二甲醛（97%）和2,3,5,6-四氟对苯二甲醛（98%）购自BLD Pharm。对苯二甲醛（98%）购自TCI。二氰胺（98%）、二甲基亚砜（DMSO）、二甲 formamide（DMF）和四氢呋喃（THF）购自Spectrochem。氢氧化钾（KOH）、甲醇（CH3OH）和丙酮也用于实验。
结构表征
通过四胺单体（M1）与一系列芳香醛类（包括蒽-9,10-二羧醛、2,5-二羟基对苯二甲醛、对苯二甲醛、2,5-二甲氧基对苯二甲醛和2,3,5,6-四氟对苯二甲醛）之间的溶剂热缩合反应，合成了五种不同的共价三嗪框架（CTFs），具体过程如图1所示。使用傅里叶变换红外（FT-IR）光谱技术阐明了所得CTFs的结构特征。
结论
总之，通过溶剂热缩合方法成功合成了五种胺连接的共价三嗪框架材料，并系统地评估了它们的CO2吸附性能。对Am-CTF系列的比较评估表明，框架结构和化学功能在控制气体吸附性能方面起着决定性作用。在所研究的材料中，Am-CTF-1在CO2捕获方面表现出最有利的特点。
CRediT作者贡献声明
阿蒂拉·拉贾塞卡兰·苏贾塔（Athira Rajasekharan Sujatha）： 负责撰写初稿、可视化、验证、方法论设计、实验研究、数据分析及数据整理。普林西·德尼·拉朱（Princy Deni Raju）： 负责验证和实验研究。苏尼什·切蒂亚姆·维蒂尔（Suneesh Chettiyam Veettil）： 负责撰写和编辑、可视化、验证、监督、资源协调、项目管理、资金申请、数据分析及概念构思。
