由南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化工學(xué)院的王軍/周瑜教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì),與浙江大學(xué)邢華斌教授課題組,新加坡國(guó)立大學(xué)顏寧教授課題組,中科院高能所大科學(xué)裝置平臺(tái)中國(guó)散裂中子源通用粉末衍射譜儀、同步輻射裝置X-射線(xiàn)吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)站和正電子研究平臺(tái)等研究團(tuán)隊(duì)合作完成的成果文章《自成型含鐵絲光沸石單塊用于二氧化碳篩分》于7月16日在國(guó)際期刊Science雜志上線(xiàn)(Science, 2021, 373, 315-320)。
王軍教授課題組最新合成的沸石吸附劑在二氧化碳捕集領(lǐng)域中的應(yīng)用獲得了進(jìn)展,對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)具有重要意義。該工作所得雜原子絲光沸石單塊可以直接作為自成型吸附劑,表現(xiàn)出迄今為止最高的二氧化碳體積吸附容量和分離效率。它對(duì)氬氣,氮?dú)庖约凹淄楸憩F(xiàn)出良好的分子篩分能力,具有優(yōu)異的抗水汽性能,實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃燒后、沼氣以及天然氣純化等體系中二氧化碳的高效吸附分離(圖1)。
雜原子沸石精細(xì)結(jié)構(gòu)的解析一直是該領(lǐng)域的難題,常規(guī)方法難以精細(xì)解析雜原子(尤其是含輕元素和相鄰元素)的局域結(jié)構(gòu)。中子衍射具有高穿透能力、高分辨率、無(wú)損等眾多優(yōu)點(diǎn),可用于分析具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料。利用中子對(duì)輕元素和相鄰元素非常敏感的特性,該工作通過(guò)中子衍射進(jìn)一步確定了雜原子沸石的精細(xì)結(jié)構(gòu)信息(圖2),這對(duì)于深入認(rèn)識(shí)材料的構(gòu)效關(guān)系和吸附機(jī)制具有重要意義。
同步輻射X-射線(xiàn)吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜(XAFS)能夠精細(xì)表征原子的近鄰關(guān)系,具有分辨率高,適用性強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn),而正電子湮沒(méi)譜(PAS)對(duì)于測(cè)試超微孔結(jié)構(gòu)具有良好的適用性。針對(duì)雜原子沸石精細(xì)結(jié)構(gòu)的解析面臨的常規(guī)氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)難以測(cè)定孔徑在3.8 nm以下的孔道結(jié)構(gòu)的難點(diǎn),該工作通過(guò)PAS(圖3)和XAFS譜(圖4)深入研究了雜原子沸石中超微孔結(jié)構(gòu)和雜原子鐵的狀態(tài),也為雜原子沸石精細(xì)結(jié)構(gòu)的解析提供了重要依據(jù)。
這一研究被認(rèn)為是碳捕集領(lǐng)域的突破,它開(kāi)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。
(附論文鏈接:)https://science.sciencemag.org/content/373/6552/315
圖1(上)雜原子絲光沸石一維孔道篩分CO2, Ar, N2和CH4的示意圖。(下)氣體吸附分離性能:(A) 298 K時(shí)CO2體積吸收量;(B) CO2/N2:15/85和CO2/CH4:50/50 二元混合物在1 bar和298 K下的CO2/N2和CO2/CH4分離選擇性;(C-E) CO2/N2(CH4)穿透曲線(xiàn);(F) 2-床VSA工藝的流程示意圖和(G) ASPEN模擬結(jié)果。
圖2在CSNS的GPPD獲得的含鐵絲光沸石的中子衍射圖譜。
圖3在正電子研究平臺(tái)獲得的含鐵絲光沸石的PAS譜圖。
圖4在同步輻射(BSRF)獲得的含鐵絲光沸石的XAFS譜圖。