鄭捷，張振杰，程方益，李?lèi)?，王穎霞,＊

1北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

2南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院，天津 300071

3鄭州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，鄭州 450001

氣候變化是人類(lèi)面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一。人類(lèi)活動(dòng)排放帶來(lái)的大氣二氧化碳濃度增加已被認(rèn)為是全球變暖的主要驅(qū)動(dòng)因素。從1880年到2012年，全球平均地表溫度上升了0.85 °C，其中超過(guò)85%的溫度上升發(fā)生在20世紀(jì)，與工業(yè)化進(jìn)程密切相關(guān)[1-5]。此外，大氣中的大部分二氧化碳最終會(huì)被海洋吸收，導(dǎo)致海洋酸化，危害海洋生物。與工業(yè)化前的水平相比，海洋的pH已經(jīng)降低了0.1個(gè)單位，并且隨著化石燃料燃燒不斷排放二氧化碳，最終可能降低0.7個(gè)單位[4]。

因此，降低CO2的排放，吸收已排放的CO2，封存CO2乃至將CO2轉(zhuǎn)化為有用的化合物，都是學(xué)術(shù)研究和工業(yè)應(yīng)用中的重要課題。本題從最基本的堿液吸收CO2開(kāi)始，結(jié)合吸收體系的重生和CO2的純化，介紹基于電化學(xué)過(guò)程的最新的研究進(jìn)展，進(jìn)一步拓展到新的材料——類(lèi)沸石咪唑骨架(Zeolitic Imidazolate Framework，簡(jiǎn)稱ZIF)體系，介紹ZIF-8的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析其在CO2的分離、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用，逐步遞進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生了解基本化學(xué)原理在解決人類(lèi)面臨的重大環(huán)境問(wèn)題中的作用，了解新材料新方法的發(fā)展?fàn)顩r以及潛在的應(yīng)用價(jià)值。

1 出題依據(jù)

顯而易見(jiàn)，從排放點(diǎn)甚至直接從空氣中捕獲CO2為減少CO2排放并最終降低大氣中的CO2濃度提供了一種直接的解決方案。傳統(tǒng)的碳捕獲技術(shù)需要與大型CO2排放點(diǎn)相結(jié)合，而直接空氣捕集(Direct Air Capture，DAC)技術(shù)，顧名思義，就是直接從環(huán)境空氣中吸收CO2，從而實(shí)現(xiàn)CO2捕集處處可行。但是，由于空氣中的CO2濃度低，DAC的熱力學(xué)最低能量需求相對(duì)于從排放的煙道氣中捕獲碳的要求更高。盡管如此，對(duì)DAC的進(jìn)一步研究對(duì)于降低氣候風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。

DAC常用的吸收劑是NaOH等堿性溶液，吸收劑的再生也是處理過(guò)程中的重要一環(huán)。傳統(tǒng)上通過(guò)碳酸鹽分解進(jìn)行處理，這一過(guò)程在高溫下進(jìn)行，能耗大。題目中給出的電化學(xué)還原就是近年來(lái)發(fā)展的一種新方法，這一過(guò)程巧妙利用電能，通過(guò)H2的還原和氧化-“電解水”的拓展-“濃差電池”的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了CO2的純化和吸收劑的再生[5]。

隨著新型多孔材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，金屬有機(jī)骨架(Metal Organic Framework，MOF)在CO2的選擇性分離、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用備受關(guān)注[5-7]，其中，典型的體系便是類(lèi)沸石咪唑骨架(Zeolitic Imidzolate Framework，ZIF)[8-10]。題目根據(jù)多孔材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行比表面、孔體積和孔隙率的計(jì)算，結(jié)合材料的組成，討論催化過(guò)程的特點(diǎn)和機(jī)理，引導(dǎo)學(xué)生強(qiáng)化基礎(chǔ)知識(shí)，理解多孔材料吸附和催化的物理基礎(chǔ)。

2 題目及解析

本題可分為三大部分，分別是CO2的直接吸收、吸收劑的再生以及類(lèi)沸石材料在CO2吸收和轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用。為清楚起見(jiàn)，題目及其解答和分析也分成三部分展開(kāi)。

2.1 二氧化碳的吸收

2.1.1 題目

氣候變化是當(dāng)今最嚴(yán)峻的全球挑戰(zhàn)之一。大氣中二氧化碳濃度的增加已被認(rèn)為是全球變暖的主要驅(qū)動(dòng)因素。CO2的捕集與轉(zhuǎn)化研究備受關(guān)注。在環(huán)境空氣中直接提取二氧化碳的直接空氣捕獲(DAC)技術(shù)很有前景。傳統(tǒng)的DAC法采用堿性氫氧化物溶液(通常用NaOH)，將空氣通入堿液濕法處理吸收CO2，直至溶液的pH ≈ 10 (步驟1)。在吸收所得體系中加入氫氧化鈣進(jìn)行吸收劑的再生(步驟2)。步驟2中所得白色沉淀A在700 °C熱解，產(chǎn)生CO2和另一種白色化合物B (步驟3)。最后，B與水反應(yīng)再生成氫氧化鈣。這個(gè)過(guò)程是個(gè)高耗能的過(guò)程。(H2CO3：Ka1= 4.5 × 10-7，Ka2= 4.7 × 10-11)

3-1 (2分) 分別寫(xiě)出A和B的化學(xué)式。

3-2 (5分) 寫(xiě)出步驟1-3中所有可能反應(yīng)方程式并配平。采用NaOH溶液做吸收劑。

2.1.2 答案與解析

答案：A是CaCO3，B是CaO。

步驟1-3涉及的反應(yīng)有：

步驟1： (2a) 2NaOH + CO2→ Na2CO3+ H2O

或 2OH-+ CO2→ CO32-+ H2O

(2b) NaOH + CO2→ NaHCO3

或 OH-+ CO2→ HCO3-

或 Na2CO3+ CO2+ H2O → 2NaHCO3

或 CO32-+ CO2+ H2O → 2HCO3-

步驟2: (2c) Na2CO3+ Ca(OH)2→ CaCO3+ 2NaOH

(2d) NaHCO3+ Ca(OH)2→ CaCO3+ NaOH + H2O

步驟3： (2e) CaCO3→ CaO + CO2

在中學(xué)階段，鑒定CO2氣體的方法是向石灰水中通入CO2，觀察是否出現(xiàn)白色沉淀CaCO3?？梢?jiàn)，此題目所涉及的均為基本反應(yīng)和基礎(chǔ)知識(shí)，不難作答。題文中，在步驟1給出吸收CO2后的體系pH約為10，并在段后給出碳酸解離的平衡常數(shù)，這主要是提示吸收體系中既有CO32-也有HCO3-產(chǎn)生。

2.2 吸收劑的再生——H2循環(huán)的電化學(xué)法

2.2.1 題目

最近開(kāi)發(fā)了一種電化學(xué)工藝，用于DAC濕法吸收工藝中吸收后堿液的再生，同時(shí)可以獲得適合儲(chǔ)存直接利用的純CO2氣體[5]。該過(guò)程基于H2循環(huán)的電化學(xué)體系(H2-recycling electrochemical system，HRES)，如圖3.1所示。

圖3.1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖中所示的電化學(xué)體系包含三個(gè)隔室：陽(yáng)極區(qū)(A)、“酸化”區(qū)(B)和陰極區(qū)(C)。它們由離子選擇性滲透膜M1和M2隔開(kāi)。在工作過(guò)程中，H2在陽(yáng)極氧化，產(chǎn)生的質(zhì)子被輸送到酸化室，來(lái)自直接空氣捕獲技術(shù)的乏溶液(Na2CO3-NaHCO3)被通入酸化室。在酸化室中，溶液的pH降低，導(dǎo)致碳酸根轉(zhuǎn)化為碳酸氫根(反應(yīng)1)，碳酸氫根進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為碳酸(反應(yīng)2)，當(dāng)溶液中溶解的CO2達(dá)飽和時(shí)(溶解度：0.033 mol·L-1)，進(jìn)一步降低pH會(huì)導(dǎo)致CO2氣體釋放(反應(yīng)3)。同時(shí)，在陰極區(qū)，由于氫氧根的產(chǎn)生而使得NaOH再生，其可作為DAC吸收劑重復(fù)使用。

3-3 (2分) 分別寫(xiě)出陽(yáng)極(A)和陰極(C)的電極反應(yīng)。

3-4 (3分) 寫(xiě)出酸化區(qū)(B)中反應(yīng)1-3的方程式并配平。

3-5 (2分) 選擇能正確描述系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中陽(yáng)離子運(yùn)動(dòng)的項(xiàng)目。

(a) H+離子通過(guò)M1從A滲透到B

(b) H+離子通過(guò)M2從B滲透到C

(c) Na+離子通過(guò)M1從B滲透到A

(d) Na+離子通過(guò)M2從B滲透到C

(e) H+和Na+離子都可以透過(guò)M1和M2

3-6 (8分) 使上述電池在穩(wěn)態(tài)下工作，通過(guò)電池的電流為2.00 A，溶液(0.050 mol·L-1Na2CO3-0.10 mol·L-1NaHCO3)以10.0 mL·min-1的流量導(dǎo)入?yún)^(qū)域B。在穩(wěn)態(tài)下陽(yáng)極室中的pH保持為1。計(jì)算電池穩(wěn)態(tài)工作時(shí)CO2氣體的生成速率(單位：mmol·min-1)。

2.2.2 答案與解析

第3-3到3-6題的答案如下：

3-5 (a) (d) (e)

3-6 解答步驟如下：

以上題文的設(shè)置和問(wèn)題的解答給出了“H2循環(huán)的電化學(xué)法”實(shí)現(xiàn)吸收劑再生的原理。第3-3題涉及的是電解池的基本工作原理，其本質(zhì)上可以看作“濃差電池”。基于體系的巧妙設(shè)計(jì)使得陽(yáng)極區(qū)為酸性，而陰極區(qū)為堿性。陰極產(chǎn)生的H2被導(dǎo)入陽(yáng)極，循環(huán)使用。如此，通過(guò)電能的消耗驅(qū)動(dòng)電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，通過(guò)離子選擇性隔膜的作用有選擇地促使離子合理遷移并驅(qū)動(dòng)反應(yīng)。第3-4題是本方法的核心，如何進(jìn)行乏溶液的處理使之再生？源自陽(yáng)極的H+在此發(fā)揮作用，中和CO32-和HCO3-形成H2CO3，H2CO3分解從而使得CO2放出。鑒于H2CO3也常被當(dāng)作H2O + CO2，如果反應(yīng)2寫(xiě)成H++HCO3-→ H2O + CO2，而反應(yīng)3隨之寫(xiě)成CO2(aq) → CO2(g)，也可以。這3個(gè)反應(yīng)的正確書(shū)寫(xiě)是第3-6題進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)。這里，別忘了CO2的溶解！

需要說(shuō)明的是，題目給出的是大大簡(jiǎn)化的理想體系，在實(shí)際過(guò)程中，受離子遷移率、電化學(xué)效率的影響，電流效率并非100%，并需要進(jìn)一步優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)，降低再生的電能消耗。此外，圖3.1中所示的溶液1需要經(jīng)過(guò)曝氣處理使CO2充分逸出后再導(dǎo)入?yún)^(qū)域C，如此不僅提升CO2(g)的產(chǎn)出量，也避免其直接引入?yún)^(qū)域C后和電解產(chǎn)生的堿液反應(yīng)降低再生效率。

2.3 類(lèi)沸石咪唑骨架(Zeolitic Imidozate Framework，ZIF)：組成、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

2.3.1 題目

類(lèi)沸石咪唑骨架(ZIF)是金屬有機(jī)骨架(MOF)的一個(gè)子類(lèi)，在二氧化碳捕獲和轉(zhuǎn)化中有潛在應(yīng)用[6-16]。在ZIF結(jié)構(gòu)中，通過(guò)咪唑酸根(Im-)及其衍生物與具有四面體配位特性的金屬離子(如Zn2+、Co2+)結(jié)合而形成3D類(lèi)似于沸石的骨架。作為咪唑(HIm)的共軛堿，咪唑根陰離子通過(guò)其兩個(gè)N原子與金屬(M)的陽(yáng)離子連接。M-Im-M夾角類(lèi)似于沸石中的Si-O-Si夾角(145°)，見(jiàn)示意圖3.2。據(jù)此，合成了大量具有沸石型四面體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ZIF材料。

圖3.2 金屬咪唑化合物和沸石中的橋連角

ZIF-8是典型的ZIFs之一，它采用方鈉石(SOD)拓?fù)涔羌?，如圖3.3所示。ZIF-8最早由中國(guó)科學(xué)家陳小明等人通過(guò)Zn2+與2-甲基咪唑(CH3(C3N2H3)，HmIm)的反應(yīng)合成得到[12]，他們將其命名為MAF-4。ZIF-8屬立方晶系，晶胞參數(shù)a = 1.632 nm，驅(qū)除溶劑后的有效孔徑為1.16 nm，如圖3.3(d)中的孔內(nèi)虛擬球所示。

圖3.3 SOD的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的ZIF-8結(jié)構(gòu)

ZIF-8還可以作為催化劑，促進(jìn)二氧化碳轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品。最有希望的固定CO2途徑之一是通過(guò)CO2的環(huán)加成反應(yīng)制備環(huán)狀碳酸酯。其中的代表性例子如下所示[11]：

作為催化劑ZIF-8催化CO2轉(zhuǎn)化為環(huán)狀碳酸酯的可能機(jī)理如下[12]：

如果在上述催化過(guò)程中，ZIF-8提供酸性位點(diǎn)。從下列選項(xiàng)中選擇合理的中間體完成反應(yīng)：

ZIF-8顯示出較高的熱穩(wěn)定性。然而，最近的一項(xiàng)研究表明，ZIF-8如果用在潮濕的酸性環(huán)境中，它的結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞[16]。CO2和H2O與ZIF-8的共存會(huì)導(dǎo)致ZnCO3的形成。

3-7 (2分) 寫(xiě)出一個(gè)孤立方鈉石籠的化學(xué)式。

3-8 (2分) 寫(xiě)出ZIF-8晶胞的組成。

3-9 (5分) 計(jì)算1 g ZIF-8結(jié)構(gòu)中孔(由虛擬球示出)的內(nèi)表面積S (以m2為單位)。

3-10 (7分) 計(jì)算ZIF-8的孔隙率R (R為孔體積與材料實(shí)際體積之比)和1 g ZIF-8的孔體積Vp(單位cm3)。

3-11 (2分) 分別寫(xiě)出與I、II對(duì)應(yīng)的中間體的字母符號(hào)。

3-12 (2分) 寫(xiě)出ZIF-8與CO2和H2O反應(yīng)的方程式并配平。

2.3.2 答案與解析

3-11 I對(duì)應(yīng)(b)，II對(duì)應(yīng)(d)。

3-12 Zn(C4H5N2)2+ CO2+ H2O → ZnCO3+ 2C4H6N2

提起ZIFs系列的研究工作，人們常常想到的是Yaghi教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組，他們確實(shí)貢獻(xiàn)卓著[6-10]。但實(shí)際上，我國(guó)的科學(xué)家如南京大學(xué)游效曾院士、中山大學(xué)陳小明院士等領(lǐng)導(dǎo)的課題組比Yaghi研究組更早就有原創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，他們當(dāng)時(shí)就將這類(lèi)材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與沸石結(jié)構(gòu)明確關(guān)聯(lián)起來(lái)[13-15]。我們也希望通過(guò)這道題目，展示中國(guó)科學(xué)家的工作，激發(fā)我國(guó)的青少年繼續(xù)探索新材料的熱情和勇氣。

如前所述，類(lèi)沸石咪唑骨架(ZIF)結(jié)構(gòu)中，M-Im-M夾角類(lèi)似于沸石中的Si-O-Si夾角(145°)，即可用咪唑根(Im-)及其衍生物代替氧原子，用具有四面體配位特性的金屬離子(如Zn2+、Co2+)代替Si原子，由此可以獲得一大類(lèi)具有沸石型結(jié)構(gòu)的金屬-有機(jī)框架材料。沸石類(lèi)骨架理想組成為SiO2，若ZIF中金屬離子為+2價(jià)，形成的M(Im)2也為電中性。目前已經(jīng)得到的M(Im)2類(lèi)化合物的拓?fù)涔羌茴?lèi)型，除SOD外，還有CRB，DFT，CAG，GAR，GIS，LTA，RHO，MER等類(lèi)似沸石的骨架類(lèi)型[17]。具有SOD拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ZIF，也有多種組成，可是咪唑根2-，3-，4-位取代，通過(guò)有機(jī)小分子結(jié)構(gòu)的改變進(jìn)而調(diào)變所得類(lèi)沸石的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性。

SOD籠及其對(duì)應(yīng)的方鈉石結(jié)構(gòu)在第54屆國(guó)際化學(xué)奧林匹克預(yù)備題7中已有介紹[18]。本考題就是在此基礎(chǔ)上的知識(shí)延伸。第3-7題主要考查的是幾何結(jié)構(gòu)與推理能力。這個(gè)孤立的多面體——SOD籠可以看成削角的八面體，有24個(gè)頂點(diǎn)，14個(gè)面，根據(jù)歐拉定理，很容易推出有24 + 14 - 2 = 36條邊。24個(gè)頂點(diǎn)上是Zn2+離子，通過(guò)處在邊上的2-甲基咪唑根橋連結(jié)合形成SOD籠，所以，組成可以寫(xiě)成，如果將頂點(diǎn)上結(jié)合的咪唑根一并考慮進(jìn)來(lái)，就是，頂點(diǎn)的咪唑根是和相鄰接的SOD籠通過(guò)橋連方式共享的。第3-8題要求確定晶胞結(jié)構(gòu)，可以結(jié)合圖3.3(c)考慮，從圖中可以看出，SOD籠所有頂點(diǎn)的Zn2+離子都處在晶胞的面上且被相鄰晶胞共用，因此，晶胞中只有24/2 =12個(gè)Zn2+離子，而要保持電荷平衡，晶胞組成為Zn12(C4H5N2)24。需要指出的是，在3-7題中，若仍考慮的是硅氧骨架，將組成寫(xiě)為，亦可，因?yàn)榇颂幹饕强疾槔硐氲耐負(fù)浣M成；但是，第3-8題的答案只能寫(xiě)實(shí)際組成Zn12(C4H5N2)24，即必須體現(xiàn)所給ZIF-8的晶胞組成。

在ZIF中，借助有機(jī)小分子的拓展，可以實(shí)現(xiàn)比經(jīng)典沸石更大的孔道和更高的孔隙率。考慮到中學(xué)階段的知識(shí)基礎(chǔ)，關(guān)于比表面、比孔體積的概念直接給出。因此，需要確定晶胞中孔(虛擬球)的數(shù)目，計(jì)算出球面積、球體積及晶胞體積大小。依據(jù)圖3.3(c)和3.3(d)，可以推知每個(gè)晶胞中有孔的數(shù)目為2，根據(jù)球面積、球體積以及立方體體積計(jì)算公式，便可以計(jì)算出題目3-9和3-10要求的相關(guān)的參數(shù)。通過(guò)這些參數(shù)，可以對(duì)ZIF材料的孔特性有定量的了解。對(duì)比文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)，利用氣體吸附測(cè)得的比表面可達(dá)1600 m2·g-1左右，孔體積約為0.6 cm3·g-1，前者和計(jì)算值相近，而后者遠(yuǎn)高于題目中的計(jì)算值。原因何在？第一，題目中計(jì)算采用的是“剛性球”模型，而實(shí)際的材料中孔道可以連通，結(jié)構(gòu)中的基團(tuán)具有一定的柔性，之間也可以容納分子；第二，實(shí)際材料會(huì)有缺陷，這些位置也是很好的氣體吸附中心；以上原因都會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)體積較大；第三，實(shí)驗(yàn)得到的“孔體積”是根據(jù)吸附數(shù)據(jù)基于一定的理論模型計(jì)算出來(lái)的。盡管理論和實(shí)驗(yàn)之間存在誤差，但二者依然具有可比性。通過(guò)定量數(shù)據(jù)，可以使我們對(duì)于相關(guān)材料體系有更深入的了解。

不僅如此，通過(guò)金屬離子和有機(jī)配體的調(diào)控，ZIF可以實(shí)現(xiàn)良好的催化性能，其應(yīng)用于二氧化碳的催化轉(zhuǎn)化就是具有代表性的實(shí)例。CO2具有高的熱力學(xué)穩(wěn)定性，直接以CO2為原料的聚合反應(yīng)難度很大，將CO2轉(zhuǎn)化為可聚合中間體便是一種常用的策略。CO2與高能單體(如環(huán)氧化物)反應(yīng)生成碳酸酯，而環(huán)狀碳酸酯開(kāi)環(huán)聚合可以得到具有重要應(yīng)用價(jià)值的聚碳酸酯類(lèi)高聚物。題目中展示的就是ZIF-8催化苯基環(huán)氧乙烷與CO2進(jìn)行反應(yīng)生成苯基環(huán)乙酸甲酯的過(guò)程。關(guān)于這一催化過(guò)程，也有三種可能的機(jī)理：1) 酸式機(jī)理，即Mn+離子(通常用其他離子如Co2+，F(xiàn)e2+，Ni2+全部或部分取代Zn2+)作為L(zhǎng)ewis酸中心，通過(guò)活化烷基氧，誘導(dǎo)CO2上O作為L(zhǎng)ewis堿參與親核加成；2) 堿性機(jī)理，咪唑根中的N起到Lewis堿中心的作用，與CO2上的Lewis酸中心C作用，消弱碳氧雙鍵，并吸引烷氧基與之結(jié)合，轉(zhuǎn)移電子對(duì)；3) 協(xié)同機(jī)理，即金屬離子作為L(zhǎng)ewis酸中心、咪唑根上的N作為L(zhǎng)ewis堿中心，共同起作用。

可調(diào)變的組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，遠(yuǎn)高于通常MOFs的穩(wěn)定性，潛在的應(yīng)用價(jià)值，使得ZIFs類(lèi)材料如眾星捧月，倍受關(guān)注。然而，近期研究發(fā)現(xiàn)[16]，這類(lèi)材料也有弱點(diǎn)，正如題目中所提到的，在水和CO2共存時(shí)，ZIFs會(huì)被破壞，生成碳酸鹽和咪唑——這是酸堿和沉淀平衡共同作用的結(jié)果！因此，使用此類(lèi)催化劑時(shí)需要注意條件。

3 結(jié)語(yǔ)

本題結(jié)合備受關(guān)注的溫室效應(yīng)氣體二氧化碳的處理展開(kāi)，考查了酸堿、沉淀、電化學(xué)等基本化學(xué)原理和方法，介紹了新型多孔材料的組成、結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在CO2的吸收和轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用。受考試內(nèi)容容量的限制，不可能面面俱到，還有很多重要的知識(shí)和方法未涉及。

首先，在二氧化碳處理的科學(xué)研究中，比如CO2的封存和直接還原也非常引人關(guān)注，預(yù)備第8題和9題也涉及到轉(zhuǎn)化的基本方法和原理[17]。二氧化碳封存過(guò)程常常和籠形水合物有關(guān)，研究者設(shè)想在一定條件下讓二氧化碳和水作用形成籠形水合物沉入海底，而將海底的“可燃冰”——甲烷水合物置換出來(lái)作為可用的能源。另一方面，以二氧化碳作為氧化劑，尋找合適的電催化材料，使之在合適的條件下與還原劑(如金屬鈉)構(gòu)造二氧化碳-金屬電池，通過(guò)電極反應(yīng)，提供電能。這就是化學(xué)之妙！

第二，類(lèi)沸石咪唑骨架及其所屬的金屬有機(jī)骨架材料，以其多樣的組成和可調(diào)控的結(jié)構(gòu)，20多年來(lái)一直是材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)?；跓o(wú)機(jī)離子和有機(jī)配體的完美配合，這類(lèi)材料形成了龐大豐富的物質(zhì)體系，在氣體吸附分離、催化、發(fā)光等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。ZIF的應(yīng)用也不只是在二氧化碳的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化中！例如，南開(kāi)大學(xué)科研人員合成了一例具有SOD拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MOF (ZPF-2)[19]，其可在干燥環(huán)境中(低于30%濕度)從空氣中快速吸附水蒸汽，然后經(jīng)加熱或抽真空處理可將水脫除。該材料有望用于在干燥環(huán)境中富集水分，解決干旱地區(qū)的飲水問(wèn)題。最后，值得一提的是，當(dāng)利用純咪唑參與反應(yīng)時(shí)，得到的往往是致密相或者畸變的微孔結(jié)構(gòu)，如果引入取代基，特別是在2-位引入甲基、乙基等取代基，就可以調(diào)控得到較為“完美”的類(lèi)沸石材料。從這一思路出發(fā)，進(jìn)行各種取代，既有2-位的取代，也有4-，5-位取代甚至4-，5-位并環(huán)的體系拓展，設(shè)計(jì)化學(xué)合成路線，實(shí)現(xiàn)了多樣的類(lèi)沸石及其調(diào)控結(jié)構(gòu)，大大拓展了材料的體系，優(yōu)化了材料的性能。這就是化學(xué)之美！