科技日报记者 金凤 通讯员 朱琳 杨芳
沸石等吸附材料在碳捕集中，作为一种物理吸附剂，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瓶颈。7月19日，记者从南京工业大学获悉，该校材料化学工程国家重点实验室、化工学院王军教授课题组联袂浙江大学、新加坡国立大学，合成自成型含铁丝光沸石吸附剂，破解了沸石分子筛碳捕集痛点，二氧化碳吸附量创新高，可以更精准地吸附二氧化碳，且性能不受水汽影响，低成本、自成型、更环保。近日，该成果在线刊发于国际著名期刊《科学》。
含铁丝光沸石的合成图、结构示意图以及筛分二氧化碳、氩气、氮气、甲烷的示意图 受访者供图
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，作为物理吸附剂具有适用范围广、成本低、操作简单、吸附剂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的分离率低、吸附量不高等瓶颈，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。
课题组在研究讨论科研问题，受访者供图
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的进入，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。”
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。
课题组合成的自成型含铁丝光沸石吸附剂的气体吸附分离性能，受访者供图
“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，回收一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一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。
