二氧化碳的高效捕集是实现碳达峰和碳中和目标的重要手段。南京工业大学、浙江大学与新加坡国立大学的学者近日研发出一种铁掺杂丝光沸石分子筛，通过精细调控孔口大小，实现了二氧化碳的精准“捕捉”与大容量“吸附”，在二氧化碳的高效捕集方面展现出明显优势。相关论文“Self-assembled iron-containing mordenite monolith for carbon dioxide sieving”（自成型含铁丝光沸石整体柱高效捕集二氧化碳）7月16日在线发表于Science杂志。
火力发电厂、化工厂、天然气净化厂等通过煤炭、碳烃化合物的燃烧来供能的工厂通常都需要进行二氧化碳捕集。“在烟道气净化（分离CO2/N2）、天然气净化（分离CO2/CH4）等都是典型的碳捕集过程。”邢华斌介绍，相对于化学吸收剂和吸附剂来说，基于物理吸附剂的吸附分离技术具有成本低、操作简单、吸附剂循环使用便捷且耗能低等优点，此外，吸附分离技术可制备高纯度CO2，有利于下游CO2的转化和利用。其中，分子筛孔径结构和大小的设计非常关键。
CO2，N2和CH4单个分子的尺寸分别为3 Å，3.64 Å和3.8 Å（Å是长度单位，为1米的百亿分之一），将分子筛的孔道调控在3.3~3.4 Å，才能实现对CO2的精准吸附。目前，工业上广泛使用的沸石分子筛材料较难实现CO2和N2（尺寸相差0.6 Å）的精准识别，且孔道尺寸相对较小，吸附容量低，再生能耗高。针对这一挑战，研究人员在MOR沸石的12元环孔道中掺入了微量铁，铁定向锚定到孔道中，从而得到窗口小、内部储存空间大的孔道。3.3~3.4 Å的孔径大小，刚好将N2和CH4阻挡在了“门外”。
图：整体柱分子筛Fe-MOR(n)结构示意图
成型铁掺杂丝光沸石分子筛Fe-MOR(0.25)既“挑食”又“大胃口”，既有较好的选择性，又有较大的吸附容量，展现出良好的选择分离性能。崔希利介绍说：“Fe-MOR(0.25)样品表现出创纪录的CO2体积吸附容量，在298 K和1 bar条件下，CO2吸附量为219cm3 /cm3，同时具备最高的CO2/N2和CO2/CH4分离选择性；该材料还表现出优异的抗水汽能力，分离能力不受水汽影响”。Aspen Adsorption流程模拟表明， Fe-MOR(0.25)不仅能高回收率地获得高纯CO2气体，还表现出低能耗。据介绍，该材料出釜即为厘米级，且具有能满足成型吸附剂所需的机械强度。
该研究进展不仅从科学上解决了分子筛孔窗口的精准调控和整体柱分子筛的合成问题，而且也为实际工业吸附分离技术提供了廉价易得稳定的工业可行性材料。邢华斌说，下一步，课题组目标是利用这项精确调控的手段，实现分子筛孔道中孔道形状尺寸和表面化学的精确调控，从而实现物理和化学性质更加相似，附加值更高的低碳烃的吸附分离，同时将低能耗的吸附分离技术用于工业分离应用中。
图：吸附容量和二元混合气体分离性能
研究得到了国家自然科学基金(22072065、21136005、U1662107、21938011和21725603)、浙江省自然科学基金(LR20B060001)等的资助。南京工业大学化工学院周瑜教授、浙江大学化工学院崔希利研究员等为本论文的共同第一作者。浙江大学邢华斌教授、南京工业大学王军教授和新加坡国立大学颜宁教授为本论文的通讯作者。
论文链接：
https://science.sciencemag.org/content/373/6552/315