“酸水解”合成路径 一网打尽沸石吸附剂碳捕集痛点
含铁丝光沸石的合成图以及结构示意图以及筛分CO2, Ar, N2和CH4的示意图 南京工业大学供图
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，具有适用范围广、成本低、操作简单、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，长期以来，沸石等吸附剂在碳捕集中存在吸附容量不高、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问题，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。
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。”周瑜说。
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。
“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1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1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。
