2025年MOFs材料在碳捕集中的应用

2026/04/282025年MOFs材料在碳捕集中的应用汇报人:1234CONTENTS目录01

MOFs材料的科学基础与诺奖意义02

全球碳捕集技术现状与挑战03

MOFs碳捕集的作用机制与性能优势04

国际MOFs碳捕集产业化进展CONTENTS目录05

中国MOFs碳捕集技术实践与创新06

MOFs碳捕集的技术挑战与解决方案07

MOFs在碳捕集领域的多元应用场景08

未来展望与政策支持MOFs材料的科学基础与诺奖意义01金属有机框架（MOFs）的定义与结构特性

01MOFs的定义金属有机框架（MOFs）是由金属离子或金属团簇与有机配体通过配位键自组装形成的高度有序的晶体多孔材料。

02MOFs的结构组成MOFs由无机金属中心（金属离子或金属簇）作为“角点”，与桥连的有机配体作为“梁柱”相互连接，形成规则的三维结构。

03MOFs的核心特性——高比表面积MOFs拥有纳米级多孔腔体，其内表面积每克可达10,000平方米，面积比足球场还大，能提供大量吸附位点。

04MOFs的核心特性——结构可设计性通过选择不同的金属节点和有机配体，可像搭积木一样精准调控MOFs的孔径大小、形状及表面化学性质，实现对特定分子的选择性捕获与储存。2025年诺贝尔化学奖得主及其贡献

理查德・罗布森（RichardRobson）：MOF分子结构概念提出者澳大利亚墨尔本大学教授，1989年首次发表创新MOF晶体结构成果，推测该设计为材料构建开辟新途径，点燃化学领域先锋精神。

北川进（SusumuKitagawa）：柔性MOF材料开拓者日本京都大学教授，1997年取得重大突破，构建三维金属有机框架，干燥后结构稳定且空腔可填充气体，首次发现可利用金属与有机物形成蜂巢状规则孔洞的多孔材料。

奥马尔・M・亚吉（OmarM.Yaghi）：MOF术语提出与实用化推动者美国加利福尼亚大学伯克利分校教授，1995年首次提出“金属有机框架（MOF）”术语，1999年推出里程碑式材料MOF-5，其结构宽敞稳定且比表面积大，还研制出多种具备实用价值的MOF材料。MOFs材料的核心优势：高比表面积与可设计性超高比表面积：提供海量吸附位点MOFs拥有纳米级多孔腔体，其内表面积每克可达10,000平方米，面积比足球场还大，能储存大量分子，为高效吸附提供了基础。结构可设计性：实现分子精准捕获MOFs由金属和有机分子构成，通过选择不同的金属节点和有机配体，可像搭积木一样设计出具有特定孔径和化学环境的结构，实现对特定分子的选择性捕获与储存。化学可调性：优化二氧化碳亲和力MOFs的化学组成可调整，通过引入不同的官能团或后合成修饰来改善其对二氧化碳的亲和力，使其成为高效的碳捕集材料。全球碳捕集技术现状与挑战02气候变化背景下的碳减排需求全球气候治理的紧迫性当前全球气候治理进入关键阶段，减少大气中二氧化碳浓度成为应对气候变化的核心任务，碳捕集技术是实现这一目标的关键手段之一。重点行业的碳排放压力我国工业烟气年排放量超过30亿吨，其中火电、钢铁、化工等行业的潮湿烟气占比超过80%，这些高耗能行业亟需有效的碳减排技术。碳捕集技术的战略地位碳捕集、利用与封存（CCUS）是实现中国“双碳”目标必不可少的技术手段，对于减少温室气体排放、推动能源结构转型具有重要意义。传统碳捕集技术的局限与瓶颈

化学吸收法：高能耗与腐蚀性问题以胺类化合物为吸收剂的化学吸收法，再生过程需加热，能耗高，如胺法碳捕集工艺能耗约为1.6-2.0GJ/tCO₂，且吸收剂易腐蚀设备，增加维护成本。

物理吸附法：吸附容量与选择性不足传统物理吸附剂如活性炭、沸石分子筛，比表面积相对较低，对CO₂的吸附容量有限，且选择性不高，在复杂烟气环境中易受其他气体干扰。

膜分离技术：分离效率与稳定性挑战膜分离技术受膜材料性能限制，CO₂渗透率与选择性难以兼顾，且在高温、高压及含杂质烟气条件下，膜易老化，稳定性不足，影响长期运行效率。

全生命周期成本高，规模化应用受限传统碳捕集技术的捕集、分离、再生等环节成本构成复杂，全生命周期成本较高，如化学吸收法捕集成本多在300元/吨CO₂以上，制约了其大规模工业化应用。多孔材料在碳捕集中的应用潜力01MOFs材料：高比表面积与选择性吸附优势金属有机框架（MOFs）材料具有纳米级多孔腔体，其内表面积每克可达10,000平方米，远超传统吸附材料。通过工程设计，MOFs可实现对二氧化碳分子的选择性捕获与储存，如巴斯夫生产的CALF-20材料已在工业碳捕集中得到应用。02MOFs衍生物：性能优化与特定场景适配MOFs衍生物通过化学或物理改性，在继承高吸附性能基础上提升特定应用表现。例如，太原理工大学团队设计的MOF材料在75%高湿度环境下实现二氧化碳高效捕获，解决了水分子干扰的行业难题。03变湿吸附离子交换树脂：湿度响应型捕集材料变湿吸附离子交换树脂通过湿度变化实现CO₂吸附-脱附循环，利用水的蒸发自由能再生，能耗低。其在真实工业环境中耐受性优于多数MOFs，且生产成本、工艺成熟度更利于规模化应用，尤其适用于低浓度环境空气和工业烟气处理。04多元技术协同：碳捕集工业化路径MOFs材料凭借功能设计灵活性在特定场景具优势，但需解决成本与稳定性问题；变湿吸附离子交换树脂则在经济性和成熟度上领先。未来碳捕集技术将走向多元化，不同材料和技术路线互补，共同推动行业进步，如中国多个离子交换树脂碳捕获示范项目已投入运行。MOFs碳捕集的作用机制与性能优势03MOFs的分子吸附原理：选择性捕获CO₂

高比表面积与纳米多孔结构MOFs由金属离子/团簇与有机配体自组装形成三维晶体结构，其纳米级多孔腔体提供每克可达10,000平方米的内表面积，远超传统吸附材料，为CO₂分子提供大量吸附位点。

孔径与化学环境的精准调控通过选择不同金属节点和有机配体，可调控MOFs的孔径大小与表面化学性质，实现对CO₂分子的特异性识别与选择性吸附，如同为CO₂量身定制“分子牢笼”。

物理吸附与化学吸附协同作用MOFs主要依靠范德华力等物理吸附作用，部分通过引入特定官能团（如氨基）实现化学吸附，能在较低能耗下高效捕获CO₂，且吸附-脱附循环性能良好，如CALF-20材料在室温以上具有较高CO₂吸附量。结构调控：孔径大小与官能团修饰

孔径大小的精准设计与CO₂捕获适配性MOFs的孔径大小可通过选择不同金属节点和有机配体进行调控，以匹配CO₂分子尺寸，优化吸附效率。例如，CALF-20结构中约38%的体积为孔道，每克具有528平方米的孔道比表面积，在室温以上对CO₂展现出较高吸附量。

官能团修饰提升CO₂选择性吸附能力通过引入特定官能团（如氨基）可增强MOFs对CO₂的亲和力与选择性。中国科研团队开发的MOF材料在75%高湿度环境下，通过化学修饰实现了CO₂的高效捕获，解决了水分子竞争吸附的行业难题。

结构调控实现低能耗再生与循环稳定性MOFs的结构调控使其在碳捕集过程中可通过较低能耗实现再生。例如，蓝壳洁能开发的MOFs浆液法技术，针对中低浓度CO₂气体采用变温解吸工艺，解吸能耗低至0.8-1.0GJ/tCO₂，仅为胺法碳捕集工艺能耗的50%，且具有良好的循环稳定性。MOFsvs传统吸附材料：性能对比分析比表面积与吸附容量MOFs材料内表面积每克可达10,000平方米，远超传统活性炭和沸石，能储存大量分子，如CALF-20在室温以上具有较高的CO₂吸附量。选择性与分子识别能力MOFs可通过工程设计实现对特定分子的选择性捕获与储存，如CALF-20对CO₂的吸附能力和选择性远超传统材料，如同为CO₂量身定制了“分子牢笼”。稳定性与工况适应性传统吸附材料在湿度、高温等复杂工业条件下性能易衰减，而部分MOFs如太原理工大学团队设计的材料在75%高湿度环境下能实现CO₂高效捕获，稳定性问题逐步改善。再生能耗与循环利用MOFs在碳捕集过程中有望实现低能耗再生，如蓝壳洁能开发的MOFs浆液法技术解吸能耗低至0.05-1.0GJ/tCO₂，仅为传统胺法碳捕集工艺能耗的50%甚至更低。国际MOFs碳捕集产业化进展04巴斯夫CALF-20的工业化量产与应用

巴斯夫实现MOFs工业化量产的里程碑巴斯夫已在美国南卡罗来纳州塞内卡基地实现用于二氧化碳捕集的金属有机框架化合物CALF-20的工业化规模生产，这标志着MOFs材料从实验室走向工业应用的重要突破。

CALF-20的结构特性与吸附优势CALF-20结构中约38%的体积为孔道，每克具有528平方米的孔道比表面积，在室温以上具有较高的CO₂吸附量，其吸附能力和选择性远超传统材料，如同为CO₂量身定制了“分子牢笼”。

CALF-20在碳捕集领域的商业化应用加拿大公司SvanteTechnologiesInc.正利用CALF-20从气体中分离二氧化碳。自2021年1月起，CALF-20已在加拿大Lafarge-Holcim水泥厂进行每天一吨二氧化碳捕获的工业试验，是世界上第一个工业示范的MOF材料。加拿大Svante公司：水泥厂碳捕集示范示范项目概况

加拿大SvanteTechnologiesInc.利用巴斯夫生产的MOFs材料CALF-20，在加拿大Lafarge-Holcim水泥厂开展碳捕集工业试验，自2021年1月起实现每天一吨二氧化碳的捕获，是世界上第一个工业示范的MOF材料碳捕集项目。CALF-20材料特性

CALF-20结构中约38%的体积为孔道，每克具有528平方米的孔道比表面积，在室温以上具有较高的CO₂吸附量，其吸附能力和选择性远超传统材料，如同为CO₂量身定制了“分子牢笼”。商业化生产布局

2025年5月，Svante公司在加拿大伯纳比市开设Redwood工厂，专门生产用于捕获二氧化碳的MOFs过滤器，目标是每年生产足够的过滤器来捕获1000万吨二氧化碳，标志着MOFs在商业应用上的重大突破。欧洲MOFs碳捕集技术研发与项目布局巴斯夫MOFs工业化生产与应用巴斯夫已实现用于二氧化碳捕集的金属有机框架（MOFs）工业化规模生产，其在美国南卡罗来纳州塞内卡基地生产的MOFs化合物CALF-20，被加拿大公司SvanteTechnologiesInc.用于从气体中分离二氧化碳。北欧碳捕集协同网络与MOFs潜力以瑞典、挪威等为核心的北欧碳管理协同网络已浮现，如瑞典斯德哥尔摩能源公司计划在生物质热电厂建设碳捕集设施，虽未明确提及MOFs，但MOFs作为高效碳捕集材料，未来在该网络中具有应用潜力。欧洲企业MOFs碳捕集技术测试与准商业化欧洲多国企业正将MOFs材料从实验室推向工业现场，在燃煤电厂、垃圾焚烧厂等烟气中测试MOFs吸附剂，目标以更低能耗、更高湿稳性实现大规模二氧化碳捕集，MOFs温室气体减排技术在欧洲已迈入准商业化阶段。中国MOFs碳捕集技术实践与创新05碳语新材：非溶剂法规模化量产突破非溶剂法工艺创新广东碳语新材料有限公司作为全球少数通过非溶剂方法实现MOF规模化量产的企业，该工艺避免了传统溶剂法带来的高成本和环境污染问题，为MOF材料的大规模应用奠定了工艺基础。丰富的MOF产品线已开发出40余款MOF产品，应用领域涵盖二氧化碳捕集、除湿干燥、散热制冷、气体分离、VOC吸附及锂电池隔膜涂布等多个领域，展现了其在MOF材料研发与应用上的广泛布局。全球竞争力与发展目标碳语新材的竞争力目前处于全球第二梯队，希望3-5年能够赶超行业巨头巴斯夫，成为MOF应用解决方案的革新先锋，显示了其在MOF产业化领域的雄心与潜力。蓝壳洁能：油田伴生气碳捕集工程应用

01项目概况：全球最大MOFs碳捕集单体项目蓝壳洁能携手中国石油于2023年建成风城油田作业区超稠油开采伴生气综合资源化利用项目，截至2025年9月底，累计处理油田伴生气3200万立方米，是全球最大规模MOFs浆液法碳捕集与利用工程。

02技术创新：浆液法工艺实现极致能效开发全球首创的MOFs浆液法气体分离技术，针对中低浓度CO₂气体（10%-40%）采用变温解吸工艺，解吸能耗低至0.8-1.0GJ/tCO₂，仅为胺法碳捕集工艺能耗的50%，实现吨CO₂捕集能耗≤1.0GJ。

03工程挑战：复杂工况下的稳定运行保障项目成功解决原料气中硫化氢、轻烃等杂质以及气量波动大等核心工程挑战，通过优化传质传热效率与选用抗冲击性强的MOFs材料，确保装置在组分复合变化较大的工况下保持高效碳捕集率与长时间安全稳定运行。

04商业化进程：战略投资与技术推广2023年获得油气行业气候倡议组织昆仑股权投资基金（CCI基金）战略投资，建立多样化工艺包、模块化设计、标准化装备交付体系，为国内外油气和难脱碳领域客户提供竞争力解决方案，推动MOFs技术工业化应用。武汉工程大学：离子疏水门控策略2025年7月，武汉工程大学团队提出离子疏水门控策略，实现从高湿烟气（RH=80%）中直接获取纯度99.999%的CO₂，突破了材料中“疏水性”与“CO₂选择性”难以兼得的固有矛盾，并展现出良好的通用性与循环稳定性。太原理工大学：高湿度环境下高效捕获太原理工大学团队2025年8月发表的研究成果显示，他们设计的MOF材料在75%高湿度环境下，能实现二氧化碳的高效捕获，解决了水分子干扰这一行业难题。高校研究进展：高湿度环境下CO₂捕集技术MOFs碳捕集的技术挑战与解决方案06湿度敏感性问题与材料稳定性提升湿度对MOFs碳捕集性能的影响

大多数金属有机框架在水分存在下性能骤降，水汽的存在大幅削弱物理吸附作用，载体在水汽作用下可能发生降解；同时水蒸气与CO₂之间存在竞争吸附，导致MOFs对CO₂的吸附性能和选择性显著降低，严重限制了它们在工业条件下的应用。高湿度环境下MOFs材料的稳定性突破

太原理工大学团队2025年8月发表的研究成果显示，他们设计的MOF材料在75%高湿度环境下，能实现二氧化碳的高效捕获，解决了水分子干扰这一行业难题。MOFs材料稳定性提升的技术路径

武汉工程大学化工与制药学院团队于2025年7月提出了一种创新的离子疏水门控策略，实现从高湿烟气（RH=80%）中直接获取纯度99.999%的CO₂。相比传统吸附剂只能阻隔N₂或H₂O的局限，该策略实现对两者的协同抑制，并突破了材料中“疏水性”与“CO₂选择性”难以兼得的固有矛盾，且展现出良好的通用性与循环稳定性。规模化生产成本控制与工艺优化

原材料成本优化路径MOFs规模化生产面临高纯度金属盐和有机配体带来的原料成本压力。通过开发非溶剂合成方法、利用工业废料或寻找低成本替代配体，可显著降低原材料支出，如广东碳语新材料已通过非溶剂方法实现MOFs规模化量产。

合成工艺创新与效率提升传统MOFs合成工艺复杂、能耗高。开发连续流合成、微波辅助合成等新型工艺，能提高合成效率、降低单位能耗。蓝壳洁能建成百吨级MOFs材料工业合成装置，通过工艺迭代实现材料成本数量级下降。

规模化生产与成型加工技术从实验室克级到工业吨级生产，需解决反应器设计、工艺流程优化和自动化控制等难题。岳阳兴长实现MOF材料百吨级量产，其MOF衍生特种环氧树脂已用于芯片封装；霖和气候科技将变湿离子交换树脂与基体材料复配热压成型为膜状结构。

再生与循环利用技术MOFs材料的再生成本直接影响其经济性。开发低能耗再生工艺（如利用工业余热进行解析）和循环利用技术，可延长材料使用寿命、降低运行成本。蓝壳洁能风城油田项目利用65℃工业余热解析，实现吨CO₂捕集能耗≤1.0GJ。再生效率与循环使用寿命改进低能耗再生工艺开发MOFs材料在碳捕集应用中，再生能耗是关键指标。例如，针对中低浓度CO₂气体(10%-40%)采用变温解吸工艺，其解吸能耗可低至0.8-1.0GJ/tCO₂，仅为传统胺法碳捕集工艺能耗的50%；针对中高浓度CO₂气体(50%-90%)采用变压解吸+变温解吸工艺，解吸热耗可进一步降至0.05GJ-0.22GJ/tCO₂，显著提升了能源利用效率。湿度敏感性问题突破湿度是影响MOFs碳捕集性能的重要因素。太原理工大学团队设计的MOF材料在75%高湿度环境下，能实现二氧化碳的高效捕获，解决了水分子干扰这一行业难题。武汉工程大学团队提出的离子疏水门控策略，实现从高湿烟气（RH=80%）中直接获取纯度99.999%的CO₂，突破了材料中“疏水性”与“CO₂选择性”难以兼得的固有矛盾。循环稳定性提升技术MOFs材料的循环使用寿命直接关系到其工业化应用成本。部分新型MOFs材料通过化学修饰或结构优化，展现出良好的循环稳定性。例如，蓝壳洁能在风城油田作业区的MOFs碳捕集与利用项目中，选用抗冲击性强的MOFs材料，确保了装置在复杂工况下长时间安全稳定运行，为MOFs材料的循环使用提供了实践依据。MOFs在碳捕集领域的多元应用场景07火电行业烟气碳捕集系统集成

预处理系统：保障MOFs吸附效率的前提火电烟气需经过脱硝、除尘、脱硫等预处理，去除氮氧化物、粉尘和硫化物等杂质，避免其对MOFs材料的吸附性能产生负面影响，确保进入吸附系统的烟气满足MOFs材料的工况要求。

MOFs吸附-解吸核心单元设计针对火电烟气中CO₂浓度特点，可采用变温解吸或变压解吸工艺。例如，对于中低浓度CO₂气体（10%-40%）采用变温解吸工艺，利用工业余热进行解析，可实现较低能耗。MOFs浆液法气体分离技术也展现出应用潜力，能在显著降低能耗的同时优化总拥有成本。

系统能效优化与余热利用集成工业余热梯级利用技术，如利用电厂65℃工业余热进行MOFs材料的解吸，可显著降低碳捕集综合能耗。蓝壳洁能与中国石油合作的项目实现吨CO₂捕集能耗≤1.0GJ，为火电行业能效优化提供了参考。

后续处理：压缩干燥与运输储存衔接捕集得到的CO₂需经过压缩干燥系统处理，达到99.5%以上的纯度，以满足后续运输和储存要求。重庆双槐电厂万吨级装置即实现了高纯度CO₂的捕集，为火电行业碳捕集系统与下游封存或利用环节的衔接奠定基础。钢铁、水泥等高耗能行业应用案例

钢铁行业：高炉煤气碳捕集钢铁行业将高炉煤气中的CO₂捕集后用于矿化炼钢渣，MOFs材料凭借高比表面积和选择性吸附能力，为钢铁行业低碳转型提供技术支持。

水泥行业：工业高温烟气处理清华大学和福州大学联合团队研究表明，锌基金属有机框架材料能在高达200℃的工业高温烟气中高效捕获二氧化碳，为水泥等高耗能行业碳捕集带来希望。

水泥厂工业试验：CALF-20的应用加拿大Lafarge-Holcim水泥厂自2021年1月起使用MOF材料CALF-20进行每天一吨二氧化碳捕获的工业试验，CALF-20结构中约38%的体积为孔道，每克具有528平方米的孔道比表面积。直接空气捕集（DAC）技术与MOFs材料

MOFs在DAC中的核心优势MOFs材料凭借超高比表面积（可达10,000平方米/克）和可设计的孔道结构，能高效选择性吸附空气中低浓度CO₂，为DAC技术提供理想吸附剂。MOFs-DAC系统的工作原理在干燥环境下，MOFs吸附空气中CO₂；通过引入水汽或利用太阳能加热实现解吸，释放高纯度CO₂，完成捕集-再生循环，能耗显著低于传统胺吸收法。国内外MOFs-DAC应用案例巴斯夫MOFs材料已用于从空气中收回水分的商业领域，其储水能力未来有望助力干旱地区从干燥空气中收集水分并协同捕集CO₂；中国在新疆等地已有采用MOF作为吸附剂的空气集水装置试点。MOFs-DAC技术面临的挑战MOFs材料在高湿度环境下易受水汽竞争吸附影响，导致CO₂吸附性能下降；同时，材料成本较高、规模化生产工艺复杂，是当前DAC应用中需要突破的关键瓶颈。未来展望与政策支持08MOFs材料的功能拓展与技术创新方向结构设计精准化：定制化孔道与活性位点通过调节金属节点与有机配体，实现MOFs孔径大小、形状及表面化学环境的精准调控，如CALF-20材料38%的孔道体积和528平方米/克的比表面积，可针对CO₂分子实现高效选择性吸附。复合与衍生材料开发：性能协同增强开发MOFs与离子交换树脂、聚合物等复合的新型材料，如变湿吸附离子交换树脂通过湿度变化实现CO₂的吸附-脱附循环，或MOF衍生材料用于芯片封装胶黏剂，拓展应用边界。智能化与集成化技术：提升系统效率将MOFs技术与数字孪生、深度学习等结合，构建全流程智能优化系统，实现工况预测与动态调控，同时开发模块化装备设计，如浆液法气体分离技术，降低能耗至0.8-1.0GJ/tCO₂。绿色合成与规模化制备：降低成本与环境影响探索连续流合成、微波辅助合成等低成本制备方法，利用工业废料或可再生原料，如蓝壳洁能建成百吨