含鐵絲光沸石的合成圖以及結(jié)構(gòu)示意圖以及篩分CO2, Ar, N2和CH4的示意圖  南京工業(yè)大學(xué)供圖

沸石作為一種經(jīng)典的吸附材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油化工、氣體吸附分離等眾多領(lǐng)域，具有適用范圍廣、成本低、操作簡(jiǎn)單、循環(huán)復(fù)用便捷等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在碳捕集領(lǐng)域備受青睞。

不過，長(zhǎng)期以來，沸石等吸附劑在碳捕集中存在吸附容量不高、氣體分離比低、不耐水汽、脫附再生能耗高、粘結(jié)劑成型后性能下降等問題，影響著它們的使用效率。長(zhǎng)期以來，課題組成員一直致力于研究一種新的沸石材料，試圖解決這些技術(shù)痛點(diǎn)。

“我們逐漸探索形成一種獨(dú)特的‘酸水解’路徑合成方法。這種工藝創(chuàng)制的含鐵絲光沸石吸附劑較之以前有兩大突破，一是變?cè)瓉淼姆蹱顬楦邫C(jī)械強(qiáng)度塊狀，省卻了后續(xù)成型工藝，具有典型綠色化工特點(diǎn);二是獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高效碳捕集。”論文第一作者、南京工業(yè)大學(xué)教授周瑜說。

他介紹，團(tuán)隊(duì)采用“酸水解”的合成路徑，經(jīng)過千百次反復(fù)優(yōu)化，并進(jìn)行性能測(cè)試和結(jié)構(gòu)解析后，得到了一種孔口更小的沸石材料。“二氧化碳直徑為0.33納米，我們的沸石吸附劑孔口尺寸是0.33—0.34納米，一來可以讓二氧化碳進(jìn)入吸附材料，二來也能阻止甲烷等分子進(jìn)入，如此一來，這個(gè)孔口就成了二氧化碳專屬的‘捕集孔’，吸附更精準(zhǔn)。”周瑜說。

實(shí)驗(yàn)顯示，團(tuán)隊(duì)合成的含鐵絲光沸石吸附劑在25攝氏度、1個(gè)大氣壓條件下，每立方厘米可以吸附219立方厘米二氧化碳，是迄今報(bào)道的最高值。同等條件下，用于工業(yè)的13X沸石吸附劑，每立方厘米吸附156立方厘米二氧化碳。更重要的是，含鐵絲光沸石吸附材料對(duì)氬氣、氮?dú)?、甲烷等表現(xiàn)出良好的篩分能力，其分離比13X沸石吸附劑高出多個(gè)數(shù)量級(jí)。

此外，在分離過程中，氣體中若有水汽，有的吸附劑會(huì)遇水不穩(wěn)定。大部分吸附劑親水，故而分離性能受水汽干擾嚴(yán)重，常常需要先干燥再吸附。而課題組合成的吸附劑，分離性能不受水汽干擾，且循環(huán)使用效果較好。

“就能耗而言，13X沸石吸附劑在分離二氧化碳和甲烷的混合氣時(shí)，回收1公斤二氧化碳需要消耗0.97兆焦能量，而我們的吸附劑每吸附1公斤二氧化碳僅需消耗0.7兆焦能量。”論文的通訊作者、南京工業(yè)大學(xué)教授王軍說，在純度相同的情況下，課題組合成的吸附劑對(duì)二氧化碳的回收率大于95%，甲烷的回收率能從61.9%提升到96.9%。

周瑜表示，這一研究是碳捕集領(lǐng)域的重大突破，具有實(shí)際應(yīng)用潛力，開拓了雜原子沸石分子篩在氣體吸附分離領(lǐng)域的新應(yīng)用。

“碳捕獲是降低二氧化碳排放、實(shí)現(xiàn)分離回收和綜合利用的有效途徑，對(duì)于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)具有重要意義。”周瑜說，此項(xiàng)研究成果可應(yīng)用于發(fā)電廠燃燒后的二氧化碳捕集、天然氣凈化、沼氣純化等方面。