南京工業/浙大/新加坡國立Science:自組裝沸石用于二氧化碳篩分

CYM 2年前 (2021-07-16) 3485瀏覽

【引言】

物理吸附的低能耗和溫和的工作條件，為現有的氣體儲存、分離和凈化過程提供了一種很有前途的替代方法。其中，開發低成本、高效的物理吸附劑對于氣體吸附和分離至關重要，尤其是開發對這一領域最緊迫的問題之一的二氧化碳物理捕獲劑，包括天然氣和沼氣升級（CO₂/CH₄分離）以及燃燒后氣體的二氧化碳捕獲（CO₂/N₂分離）。然而，這些氣體分子的相似動力學和物理化學性質使得設計具有高吸收性和選擇性的物理吸附劑極具挑戰性。選擇性的提高通常伴隨著吸附容量的降低，這阻礙了具有高吸收率的高選擇性CO₂物理吸附劑的發展。容量和選擇性之間的內在權衡，以及常規粉末吸附劑不可避免的成型程序，極大地限制了它們的實際分離效率。盡管具有大吸收、高選擇性和快速吸附-解吸動力學的自組裝物理吸附劑在工業上是首選，但它們對材料工程提出了巨大挑戰。鑒于其分子篩分能力，有序微孔材料是具有優異選擇性的物理吸附劑的潛在候選者。其中，沸石（結晶硅鋁酸鹽）是成本低，熱穩定性和水熱穩定的，并已大規模作為催化劑和吸附劑。同時已經提出了各種方法來通過控制沸石的拓撲結構、形態和孔隙率來提高沸石的吸附性能。盡管如此，在參與CO₂捕獲的氣體分子的動力學直徑內精確控制沸石孔隙孔徑是具有挑戰性的，其機械強度并不令人滿意。

今日，南京工業大學王軍教授，浙江大學邢華斌教授和新加坡國立大學顏寧教授（共同通訊作者）報道了一種簡便、無模板的水熱合成方法，用于自組裝含鐵沸石Fe-MOR(?n?)（其中n是初始 Fe/Si摩爾比），其固有的高機械強度可以可直接用作成型物理吸附劑。在CO₂捕獲中，Fe-MOR(?n?) 系列根據分子大小對CO₂、Ar、N₂和CH₄進行篩分，并表現出前所未有的CO₂吸收以及CO₂/Ar(N₂?, CH₄)具有快速吸附動力學的選擇性。在沸石框架中加入分離的過渡金屬離子來產生雜原子沸石可以增加新的功能。通常，雜原子沸石的孔隙稍大，原因在于過渡金屬離子的尺寸比Si和Al的尺寸更大。該MOR沸石沿c軸方向具有平行的12元環（MR）一維（1D）通道。將Fe離子結合到MOR框架中，通過不尋常的“酸共水解途徑”制備Fe-MOR，使Fe和Si/Al前驅體在初始凝膠階段緩慢共縮合，以精細控制Fe摻雜。該策略使得Fe部分占據微通道，其精確變窄的微通道允許獨特的分子篩分能力。同時，本文中制備的沸石的微通道的孔，能夠直接用于工業化，提供了一個創紀錄的二氧化碳吸收，在273和298 K的壓力下，每立方厘米材料的CO₂吸收量分別為293和219 cm³。從工藝操作的角度來看，本文的合成不僅避免了上述后成型的缺點，而且簡化了操作程序，其制備成本和節能環保均得到保障。相關研究成果以“Self-assembled iron-containing mordenite monolith for carbon dioxide sieving”為題發表在Science上。