无机阳离子调控SAPO-RHO“分子合页门效应”实现二氧化碳的高效吸附分离

CO₂作为温室气体的主要成分，主要来源于工业生产（水泥、钢铁、煤气化、石油精炼、天然气处理）和火力发电。随着全球经济的发展，能源消耗不断攀升，二氧化碳排放量也急剧增加，导致大气中二氧化碳的浓度迅速升高，致使全球变暖，严重影响了全球生态系统的平衡。因此实现CO₂的大规模捕获和分离（Carbon Capture and Sequestration（CCS））以及循环已成为人类社会关注的主要问题之一，且也被强调为能够改变世界的七大化学分离问题之一，而这其中的关键是实现CO₂/N₂及CO₂/CH₄的高效分离。然而目前用于大规模分离CO₂/N₂及CO₂/CH₄的基于胺溶液吸收的商业化分离技术存在对设备腐蚀性强、再生能耗高、胺吸附剂易失活等缺点。因此开发能够高效分离CO₂/N₂及CO₂/CH₄的新技术和新材料十分重要。

基于多孔材料的物理吸附，特别是变压吸附（PAS）技术，因其过程清洁、可逆、易操作等，是一种非常具有吸引力的CO₂/CH₄和CO₂/N₂高效分离的替代方案。沸石分子筛材料，作为多孔材料的典型代表，因其丰富可调的孔隙系统及大比表面积、良好的热和水热稳定性、廉价、易制备的特点，在选择性吸附CO₂/CH₄和CO₂/N₂方面得到了广泛的研究，且在工业上已得到了广泛的应用。特别是拓扑结构中具有笼状结构的8元环小孔分子筛，因其对CO₂/CH₄和CO₂/N₂存在特殊的分离机制，使得制备具有高效分离CO₂/CH₄和CO₂/N₂性能的沸石分子筛材料得以实现。

近期，博士研究生王晓贺在Chemical Science杂志上发表题为“The inorganic cation-tailored “trapdoor” effect of silicoaluminophosphate zeolite for highly selective CO₂separation”的研究工作。在此工作中，作者通过简单的直接离子交换法制备了一系列具有不同碱金属阳离子类型和含量的M-SAPO-RHO（M=Na、K、Cs）沸石分子筛。研究表明，当Na-SAPO-RHO中每个晶胞中含7.8个Na⁺离子时，Na-SAPO-RHO具有最佳的CO₂/CH₄和CO₂/N₂选择性吸附分离性能。其对CO₂/CH₄（0.02/0.98bar，模拟天然气组成）的分离系数高达2196，对CO₂/N₂（0.15/85bar，模拟烟道气组成）的分离系数高达196，均处于SAPO基分子筛材料的领先水平；通过固定床穿透实验初步评价该材料对CO₂/CH₄和CO₂/N₂两二元混合组分的动态吸附分离效果，考察其在实际工业化生产中的应用前景。此外，结合粉末XRD结构精修（PXRD- Rietveld refinement）及密度泛函（DFT）理论计算，确定了M⁺在M-SAPO-RHO中的位置，从分子水平上揭示了Na-SAPO-RHO对CO₂/CH₄和CO₂/N₂具有优异选择性吸附分离性能的机制。

相关的研究成果近期发表在Chemical Science（Chem. Sci., 2021, 12, 8803–8810）期刊上，第一作者为吉林大学博士生王晓贺，大连化物所闫娜娜博士和苏州大学谢淼博士为共同第一作者。通讯作者为吉林大学闫文付教授、于吉红院士和大连化物所郭鹏研究员。