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【二氧化碳|我国学者合成特殊吸附剂“登上”《科学》：破解沸石分子筛碳捕集痛点】
科技日报记者 金凤 通讯员 朱琳 杨芳
沸石等吸附材料在碳捕集中 ， 作为一种物理吸附剂 ， 存在吸附容量不高、气体分离比低、不耐水汽、脱附再生能耗高、粘结剂成型后性能下降等瓶颈 。 7月19日 ， 记者从南京工业大学获悉 ， 该校材料化学工程国家重点实验室、化工学院王军教授课题组联袂浙江大学、新加坡国立大学 ， 合成自成型含铁丝光沸石吸附剂 ， 破解了沸石分子筛碳捕集痛点 ， 二氧化碳吸附量创新高 ， 可以更精准地吸附二氧化碳 ， 且性能不受水汽影响 ， 低成本、自成型、更环保 。 近日 ， 该成果在线刊发于国际著名期刊《科学》 。
含铁丝光沸石的合成图、结构示意图以及筛分二氧化碳、氩气、氮气、甲烷的示意图
沸石作为一种经典的吸附材料 ， 已经广泛应用于石油化工、气体吸附分离等众多领域 ， 作为物理吸附剂具有适用范围广、成本低、操作简单、吸附剂循环复用便捷等诸多优点 ， 因而在碳捕集领域备受青睐 。
不过 ， 沸石等吸附剂在碳捕集中存在的分离率低、吸附量不高等瓶颈 ， 影响着它们的使用效率 。 长期以来 ， 课题组成员一直致力于研究一种新的沸石材料 ， 试图解决这些技术痛点 。
“我们逐渐探索形成一种独特的‘酸水解’路径合成方法 。 这种工艺创制的含铁丝光沸石吸附剂较之以前有两大突破 ， 一是变原来的粉状为高机械强度块状 ， 省却了后续成型工艺 ， 具有典型绿色化工特点；二是独特的孔道结构实现了高效碳捕集 。 ”论文第一作者、南京工业大学教授周瑜说 。
课题组在研究讨论科研问题
他介绍 ， 团队采用“酸水解”的合成路径 ， 经过千百次反复优化 ， 并进行性能测试和结构解析后 ， 得到了一种孔口更小的沸石材料 ， “二氧化碳直径为0.33纳米 ， 我们的沸石吸附剂孔口尺寸是0.33-0.34纳米 ， 一来可以让二氧化碳进入吸附材料 ， 二来也能阻止甲烷等分子的进入 ， 如此一来 ， 这个孔口就成了二氧化碳专属的‘捕集孔’ ， 吸附更精准 。 ”
实验显示 ， 团队合成的含铁丝光沸石吸附剂在25摄氏度、1个大气压条件下 ， 每立方厘米可以吸附219立方厘米二氧化碳 ， 是迄今报道的最高值 。 同等条件下 ， 用于工业的13X沸石吸附剂 ， 每立方厘米吸附156立方厘米二氧化碳 。 更重要的是 ， 含铁丝光沸石吸附材料对氩气、氮气、甲烷等表现出良好的筛分能力 ， 其分离比13X沸石吸附剂高出多个数量级 。
此外 ， 在分离过程中 ， 气体中若有水汽 ， 有的吸附剂会遇水不稳定 ， 大部分吸附剂亲水 ， 故而分离性能受水汽干扰严重 ， 常常需要先干燥再吸附 ， 而课题组合成的吸附剂 ， 分离性能不受水汽干扰 ， 且循环使用效果较好 。
课题组合成的自成型含铁丝光沸石吸附剂的气体吸附分离性能
“就能耗而言 ， 13X沸石吸附剂在分离二氧化碳和甲烷的混合气时 ， 回收一公斤二氧化碳需要消耗0.97兆焦能量 ， 而我们的吸附剂每吸附一公斤二氧化碳仅需消耗0.7兆焦能量 。 ”论文的通讯作者、南京工业大学教授王军说 ， 在纯度相同的情况下 ， 课题组合成的吸附剂对二氧化碳的回收率大于95% ， 甲烷的回收率能从61.9%提升到96.9% 。
周瑜表示 ， 这一研究是碳捕集领域的重大突破 ， 具有实际应用潜力 ， 开拓了杂原子沸石分子筛在气体吸附分离领域的新应用 。
“碳捕获是降低二氧化碳排放、实现分离回收和综合利用的有效途径 ， 对于实现碳达峰和碳中和目标具有重要意义 。 ”周瑜说 ， 此项研究成果可应用于发电厂燃烧后的二氧化碳捕集、天然气净化、沼气纯化等方面 。
（文中图片由受访者提供）
编辑：王宇
审核：岳靓
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