近日，中国科学院大连化学物理研究所低碳催化与工程研究部(DNL12)郭鹏研究员、刘中民院士团队与辽宁师范大学李国辉教授团队合作，设计构筑了一种高效选择性吸附分离二氧化碳/乙炔(CO2/C2H2)的分子筛材料，并结合结构解析及理论计算揭示了吸附分离过程中“离子门”效应的新机制。
C2H2是一种重要的化工原料，广泛应用于石油化工和机械制造等领域。然而，在其生产过程中往往伴随有CO2的生成。目前，CO2/C2H2分离主要依赖于高能耗的溶剂萃取和低温精馏方法。相比之下，吸附分离是一种更具前景的分离方法，特别是利用优先选择性吸附CO2的吸附剂一步获得高纯C2H2。然而，由于CO2和C2H2的动力学尺寸、极化率等十分接近，开发具有优先选择性吸附CO2的吸附剂仍面临挑战。
在本工作中，研究人员提出基于“离子门”效应的小孔分子筛吸附剂设计策略。研究人员以小孔CHA分子筛为研究对象，基于对CHA拓扑结构的拆解，设计理想的骨架外阳离子个数及骨架硅铝比，并通过精确调控分子筛的硅铝比、阳离子类型及含量等参数，构筑了选择性识别吸附CO2分子的K-CHA分子筛，实现了C2H2的一步高效纯化，并利用X-射线粉末衍射结构精修，从原子层面确定了K离子在K-CHA骨架中的落位。进一步，研究人员结合理论计算表征揭示了K-CHA选择性吸附分离CO2/C2H2的机制：CO2扩散通过K离子占据的八元环孔口所需克服的能垒显著低于C2H2；CO2和C2H2分子扩散通过K离子占据的八元环孔口时，分子取向及K离子协同迁移路径明显不同。在之前报道的“离子门”效应中，占据孔口的离子短暂可逆地迁移使得气体分子扩散通过，而在本工作中，研究人员发现离子与气体分子会发生协同迁移，离子在不同的晶体学落位上将发生重排。这为“离子门”机制提供了新的见解。同时，该研究为设计选择性吸附分离的分子筛材料提供了理论依据。
相关研究成果以“Inverse CO2-C2H2 Separation on the Low-silica CHA Zeolite Through Cooperative Cation and Gas Molecule Migration Mechanism”为题，于近日发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上。该工作的第一作者是中国科学院大连化学物理研究所DNL1210组博士后王晓贺和1102组博士研究生郑达，该工作得到了国家自然科学基金、辽宁省兴辽英才计划等项目的资助。
