南京工业/浙大/新加坡国立Science:自组装沸石用于二氧化碳筛分

CYM 3年前 (2021-07-16) 4071浏览

【引言】

物理吸附的低能耗和温和的工作条件，为现有的气体储存、分离和净化过程提供了一种很有前途的替代方法。其中，开发低成本、高效的物理吸附剂对于气体吸附和分离至关重要，尤其是开发对这一领域最紧迫的问题之一的二氧化碳物理捕获剂，包括天然气和沼气升级（CO₂/CH₄分离）以及燃烧后气体的二氧化碳捕获（CO₂/N₂分离）。然而，这些气体分子的相似动力学和物理化学性质使得设计具有高吸收性和选择性的物理吸附剂极具挑战性。选择性的提高通常伴随着吸附容量的降低，这阻碍了具有高吸收率的高选择性CO₂物理吸附剂的发展。容量和选择性之间的内在权衡，以及常规粉末吸附剂不可避免的成型程序，极大地限制了它们的实际分离效率。尽管具有大吸收、高选择性和快速吸附-解吸动力学的自组装物理吸附剂在工业上是首选，但它们对材料工程提出了巨大挑战。鉴于其分子筛分能力，有序微孔材料是具有优异选择性的物理吸附剂的潜在候选者。其中，沸石（结晶硅铝酸盐）是成本低，热稳定性和水热稳定的，并已大规模作为催化剂和吸附剂。同时已经提出了各种方法来通过控制沸石的拓扑结构、形态和孔隙率来提高沸石的吸附性能。尽管如此，在参与CO₂捕获的气体分子的动力学直径内精确控制沸石孔隙孔径是具有挑战性的，其机械强度并不令人满意。

今日，南京工业大学王军教授，浙江大学邢华斌教授和新加坡国立大学颜宁教授（共同通讯作者）报道了一种简便、无模板的水热合成方法，用于自组装含铁沸石Fe-MOR( n )（其中n是初始 Fe/Si摩尔比），其固有的高机械强度可以可直接用作成型物理吸附剂。在CO₂捕获中，Fe-MOR( n ) 系列根据分子大小对CO₂、Ar、N₂和CH₄进行筛分，并表现出前所未有的CO₂吸收以及CO₂/Ar(N₂ , CH₄)具有快速吸附动力学的选择性。在沸石框架中加入分离的过渡金属离子来产生杂原子沸石可以增加新的功能。通常，杂原子沸石的孔隙稍大，原因在于过渡金属离子的尺寸比Si和Al的尺寸更大。该MOR沸石沿c轴方向具有平行的12元环（MR）一维（1D）通道。将Fe离子结合到MOR框架中，通过不寻常的“酸共水解途径”制备Fe-MOR，使Fe和Si/Al前驱体在初始凝胶阶段缓慢共缩合，以精细控制Fe掺杂。该策略使得Fe部分占据微通道，其精确变窄的微通道允许独特的分子筛分能力。同时，本文中制备的沸石的微通道的孔，能够直接用于工业化，提供了一个创纪录的二氧化碳吸收，在273和298 K的压力下，每立方厘米材料的CO₂吸收量分别为293和219 cm³。从工艺操作的角度来看，本文的合成不仅避免了上述后成型的缺点，而且简化了操作程序，其制备成本和节能环保均得到保障。相关研究成果以“Self-assembled iron-containing mordenite monolith for carbon dioxide sieving”为题发表在Science上。