JACS： 沸石中有机阳离子调控静电势梯度实现C2H2/CO2的高效分离

在化工与材料领域，乙炔（C2H2）是合成纤维、碳纳米管等关键材料的重要原料，并广泛用于金属焊接等工业场景。C2H2在生产过程中（如石油裂解、甲烷氧化）往往伴随大量二氧化碳（CO2）产生，其浓度最高可达C2H2的50%。因此，脱除CO2成为C2H2纯化的核心环节。然而，C2H2与CO2的分子尺寸和极性极为接近，使得二者高效分离异常困难。沸石作为工业上常用的吸附剂，具有成本低、结构稳定、易规模化生产等突出优势。然而传统沸石依赖过渡金属阳离子通过d-π相互作用实现对C2H2的弱化学吸附，这种方法容易受到CO2的竞争吸附干扰，导致选择性偏低，且通常需要高温解吸，造成乙炔损耗和设备损耗。因此，开发一种无需过渡金属、再生能耗低且具备高选择性的沸石改性策略，成为破解C2H2/CO2分离难题的关键。在此背景下，吉林大学梁志强教授、宋晓伟教授与天津工业大学梅东海教授合作团队提出一项创新策略：通过有机阳离子调控沸石孔道内的静电势梯度，成功研发出能够高效分离C2H2/CO2的TMeA-Y-5.8沸石材料。该策略为上述工业分离难题提供了有效的解决方案。

全文要点

创新策略：突破传统吸附依赖，转向静电势精准调控

传统的沸石分离体系依赖过渡金属的d-π弱化学吸附作用，存在选择性偏低、脱附温度高、易受杂质干扰等局限。研究团队基于乙炔倾向于负电势环境、而CO2偏好正电势环境的特性，创新性地在Y型沸石中引入电荷密度较低的四甲基铵阳离子（TMeA+）。通过离子交换，将原先高电荷密度的Na+、NH4+置换出来，从而系统性地削弱沸石孔道的正静电环境，实现了对C2H2与CO2的高效识别与分离。这一策略完全避免了传统弱化学吸附带来的问题，为气体分离提供了新思路。

优异的吸附性能：

在298 K、10 kPa条件下，其乙炔吸附容量为34.6 cm3 g-1，与同类材料相当；同时对C2H2/CO2（50/50）混合气体的IAST吸附选择性高达16.1，分别是NaY-5.8（1.79）的9倍与NH4-Y-5.8（3.41）的4.7倍，显著超越多数已报道多孔材料。在模拟工业气组成（C2H2/CO2/Ar = 10/5/85）的动态穿透实验中，其C2H2/CO2分离因子达13.1，C2H2穿透时间长达40.85 min g-1，而CO2仅3.54 min g-1。该材料无需预先脱除CO2即可实现高效分离，从根源上避免了传统工艺中C2H2损失的问题。

机理分析：

通过密度泛函理论（DFT）计算和差分电荷密度分析揭示了分离机制：TMeA+的低电荷密度显著降低了沸石孔道的正静电势，使CO2与TMeA+之间的相互作用大幅削弱，吸附能降至4.5 kJ mol-1；而C2H2则通过C=C-H···O氢键作用及与TMeA⁺的π阳离子弱相互作用，维持了68.8 kJ mol-1的较高吸附能。二者吸附能之比达15.3，与实验观测到的高选择性高度吻合，从而从机理层面确认了该材料对C2H2/CO2的精准识别能力。

优异的分离性能：

其在333 K下仅需通氦气15 min即可实现完全再生，远低于传统过渡金属修饰沸石（如Cu@FAU常需473 K），显著降低了能耗。同时，TMeA-Y-5.8在298 K下的吸水率仅为115 mg g-1，明显低于NaY-5.8（207 mg g-1）和NH4-Y-5.8（200 mg g-1），有效缓解了沸石材料在潮湿环境下性能下降的问题。经过19次吸附-脱附循环后，其分离性能未出现明显衰减；即使在40%相对湿度条件下进行9次循环，C2H2吸附量仍稳定在35.15-37.03 cm3 g-1，分离因子保持在12.78-14.20之间，展现出良好的重复使用性与环境适应性，符合工业连续运行的要求。

文章链接:https://doi.org/10.1021/jacs.5c14895

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