南工大，又一篇Science！
纳米人
2021-07-17
矛盾无处不在，矛盾无时不有！气体分离，也不可避免地需要把握容量和选择性之间的矛盾。选择性的提高通常伴随着吸附容量的降低，这阻碍了高选择性、高吸收吸附剂的发展。由于其低能耗和温和的操作条件，物理吸附为气体储存、分离和纯化中已建立的能源密集型过程提供了新的解决方案。因此，开发低成本、高效的物理吸附剂对于气体的吸附和分离至关重要。当前最紧迫的研究议题之一在于，开发用于 CO2捕集的低成本高效物理吸附剂，包括天然气和沼气升级（CO2/CH4分离），以及从燃烧后气体中捕集CO2（CO2/N2分离）。然而，这些气体分子的动力学直径和物理化学性质极其相似，使得设计同时具有高吸收性和选择性的稳定物理吸附剂困难重重。常规合成方法是将吸附剂材料制成粉末，通常通过加压或使用粘合剂进行后成形，由此产生的孔堵塞或吸附位点的坍塌往往会降低吸附容量和速率。以分子筛为代表的有序微孔材料，是具有优异选择性的物理吸附剂的重要代表。沸石（结晶铝硅酸盐）成本低，热和水热稳定，已作为催化剂和吸附剂大规模应用。但是，在参与 CO2 捕获（3 至 4 Å）的气体分子的动力学直径内精确控制沸石孔隙孔径仍具有挑战性。虽然已经构建了几种自成型沸石，但与传统的粘合剂辅助后成型技术相比，它们的机械强度并不令人满意。有鉴于此，南京工业大学王军课题组（共同通讯）、浙江大学邢华斌课题组（共同通讯）、新加坡国立大学颜宁课题组（共同通讯）及其合作者报道了一种无模板水热法合成一维通道的含铁丝光沸石（Fe-MOR），具有无粘结剂自成型的特点。在沸石骨架中加入孤立的过渡金属离子以生产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，因为过渡金属离子的尺寸比 Si 和 Al 的尺寸更大。研究人员将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进行精细控制Fe 掺杂。该策略导致四面体 Fe 物质部分占据微通道，得到了精确变窄的微通道，从而实现独特的分子筛分能力。在 CO2 捕获中，Fe-MOR(n) 系列根据分子尺寸大小就能精准筛选 CO2、Ar、N2 和CH4，并表现出前所未有的 CO2 吸收和 CO2/Ar(N2, CH4) 选择性和快速吸附动力学。研究表明，无论在干燥还是潮湿条件下，都能实现超高的 CO2 吸收和高效 CO2-N2分离。值得一提的是，这种沸石材料实现了超高的二氧化碳体积吸收量（在273和298 K、1 bar压力下，每立方厘米材料分别吸收 293和219 cm3二氧化碳），创造了新的纪录！此外，这种沸石材料极其稳定，可以自组装形成整体材料，不需要进一步成型，可直接用于工业应用，简化了操作程序，使制备成本和节能环保。稳定的可回收性、良好的防潮能力，为这种含铁丝光沸石带来了无限前景。Yu Zhou et al. Self-assemblediron-containing mordenite monolith for carbon dioxide sieving. Science 2021,373, 315-320.DOI: 10.1126/science.aax5776https://science.sciencemag.org/content/373/6552/315值得一提的是，南工大作为第一单位和通讯单位，今年已经在Science、Nature发表多篇重要成果，在此一并列出。
