21世紀(jì)以來(lái)，隨著重型運(yùn)輸業(yè)、電力和工業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致大氣CO2濃度增加是造成溫室效應(yīng)最主要的原因之一。在“碳達(dá)峰、碳中和”的大背景下，如何高效地捕集CO2氣體對(duì)于環(huán)境保護(hù)和CO2資源化利用等下游領(lǐng)域至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的CO2吸附劑往往更注重于對(duì)吸附量的評(píng)價(jià)上，往往忽略了更為重要的一些方面，例如其生產(chǎn)過程中造成的成本問題、解析溫度帶來(lái)的能耗問題以及循環(huán)再生過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和污染問題。上述問題更加直接地體現(xiàn)在CO2吸附劑的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。因此，開發(fā)一種更為高效、環(huán)保、可再生、低能耗、低成本的CO2吸附劑極為迫切。相較于各類金屬作為吸附活性中心而言，鈣（Ca）基吸附劑因其高親電性、低成本等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為具有廣泛的應(yīng)用前景。
近日，昆明理工大學(xué)磷化工團(tuán)隊(duì)提出一種“低溫焙燒溫度”策略構(gòu)筑吸附活性物種精準(zhǔn)落位的新型CO2分子篩吸附劑。其核心思想是利用FAU型分子篩中陽(yáng)離子的可遷移性，通過調(diào)變焙燒溫度和Ca2+陽(yáng)離子的交換度來(lái)最大限度地利用CaNaX分子篩超籠中“羥基化鈣物種”吸附位點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)CO2的高效捕集。該工作打破傳統(tǒng)高溫焙燒制備CO2分子篩吸附劑的傳統(tǒng)理念，通過更加溫和焙燒條件精確構(gòu)筑了有效吸附活性位點(diǎn)的同時(shí)，大大降低了制備過程中的能耗和成本。通過各項(xiàng)表征證明，所研發(fā)的0.05CaNaX-250分子篩吸附劑保證了每個(gè)FAU晶胞結(jié)構(gòu)中至少有21個(gè)羥基化鈣物種在其超籠中落位（接近理論最大值），其具有較高的CO2吸附量（穿透吸附量：3.37mmol/g、飽和吸附量：4.54mmol/g）。同時(shí)還具有快速的吸附動(dòng)力學(xué)和較低的吸附熱。在CO2/N2和CO2/CH4競(jìng)爭(zhēng)吸附中，其選擇性分別達(dá)到156.8和11.5。經(jīng)過10次循環(huán)再生后，仍然保持著高度的可回收性，優(yōu)于其他文獻(xiàn)所報(bào)道的FAU分子篩吸附劑。此外，通過原位CO2吸附紅外光譜技術(shù)進(jìn)一步地揭示了低溫焙燒樣品的CO2吸附機(jī)理，并表明了其優(yōu)異的CO2吸附性能得益于Ca(OH)+???(CO2)2物種（羥基化鈣物種）的形成。這項(xiàng)工作對(duì)于更好地理解陽(yáng)離子在FAU分子篩中的作用具有重要意義，同時(shí)也為其他優(yōu)異的CO2分子篩吸附劑中有效吸附位點(diǎn)的定向設(shè)計(jì)提供了重要的參考價(jià)值。
上述研究成果以《Maximizing the utilization of Calcium species in the supercages of CaNa-FAU zeolite for efficient CO2capture》為題發(fā)表在化學(xué)工程領(lǐng)域TOP學(xué)術(shù)期刊《Chemical Engineering Journal》上。昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院為論文第一署名單位，2021級(jí)碩士研究生孫薪裕為論文第一作者，祖運(yùn)副教授和何賓賓正高級(jí)工程師為論文共同通訊作者，該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（22362019）、云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃（202301AT070445，202101BE070001-031，202101AU070154）、國(guó)家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心開放基金（NECP2022-01）以及云南省磷化工節(jié)能與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148661
