新型高性能CO2吸附材料：可逐级阳离子交换的金属硫化物分子筛

全球气候变暖主要由矿物燃料燃烧排放的大量CO₂引起，因此对温室效应气体的捕获、存储和分离成为当前研究的热点。目前，商业化的捕获技术主要是基于CO₂和胺溶液中和反应的“湿洗”方法。该方法能够直接应用到废气中CO₂的处理，但是在胺溶液的循环再利用过程中需要消耗大量的能量，且对设备的腐蚀较为严重。近年来，利用多孔固体吸附材料捕获CO₂的技术受到广泛的关注。目前，各种类型的多孔固态吸附材料不断得到开发利用，其中主要包括氧化物分子筛、多孔炭、多孔有机物以及金属有机框架（MOFs）材料等。通常情况下，高性能的吸附材料需要满足大吸附量、高选择性、易循环再利用以及高稳定性（特别是对水蒸汽）等特点。然而，能够满足以上所有需求的理想吸附剂仍然难以获得。例如，传统沸石13X的结构非常稳定，对CO₂吸附具有较高选择性，但其吸附量相对较低；经典的金属有机框架材料Mg-MOF-74吸附量很高，且CO₂/N₂的选择性也很好，然而水蒸汽的存在会显著降低气体的吸附量，甚至破坏材料的晶态结构，严重制约了实际应用。因此，寻找新型高效的无机固态多孔吸附材料是合成化学和材料化学界不断努力的方向。

最近，苏州大学的吴涛教授（点击查看介绍）团队和美国加州大学河滨分校的冯萍云教授（点击查看介绍）团队合作，研究并报道了金属硫化物分子筛多孔材料（RWY）对CO₂的吸附性能。该沸石型硫属多孔材料具有富硫的可极化“软”表面、高孔隙率、全无机晶体骨架结构以及孔道内阳离子种类（电荷-体积比）可调等诸多优点，表现出高CO₂吸附量和高CO₂/N₂选择性。该团队早期的研究工作曾证实，通过调节主客体间的相互作用，他们可对RWY型硫属孔材料实现逐级高效的离子交换，从而实现对放射性核素Cs⁺的高选择性消除（Chem. Mater., 2016, 28, 8774）。在该工作的基础上，研究团队进一步探讨了经过逐级阳离子交换后的多孔硫属分子筛材料（M@RWY）对CO₂的选择性吸附。研究结果表明，经过CsCl、RbCl和KCl逐级交换后得到的样品（Cs@RWY、Rb@RWY和K@RWY）均表现出优异的CO₂吸附性能，特别是K@RWY吸附材料，在273 K和1 atm下，最大的吸附量高达6.3 mmol/g，吸附焓为35.0-41.1 kJ/mol。更为重要的是，K@RWY在298 K和273 K时几乎未表现出N₂吸附，表明材料具有非常高的CO₂/N₂吸附选择性。此外，K@RWY在对CO₂吸附的可循环性、稳定性（抗水汽）等方面也表现出优异的性能。

这一成果近期发表在Inorganic Chemistry 上，文章的第一作者是苏州大学的博士后杨华军、硕士研究生罗敏和美国加州大学河滨分校的博士研究生陈希同。

该论文作者为：Huajun Yang, Min Luo, Xitong Chen, Xiang Zhao, Jian Lin, Dandan Hu, Dongsheng Li, Xianhui Bu, Pingyun Feng and Tao Wu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Cation-Exchanged Zeolitic Chalcogenides for CO₂ Adsorption

Inorg. Chem., 2017, 56, 14999, DOI: 10.1021/acs.inorgchem.7b02307

导师介绍

吴涛

http://www.x-mol.com/university/faculty/12858

冯萍云

http://www.x-mol.com/university/faculty/3093