新型高性能CO2吸附材料：可逐級陽離子交換的金屬硫化物分子篩

全球氣候變暖主要由礦物燃料燃燒排放的大量CO2引起，因此對溫室效應氣體的捕獲、存儲和分離成為當前研究的熱點。目前，商業化的捕獲技術主要是基於CO2和胺溶液中和反應的「濕洗」方法。該方法能夠直接應用到廢氣中CO2的處理，但是在胺溶液的循環再利用過程中需要消耗大量的能量，且對設備的腐蝕較為嚴重。近年來，利用多孔固體吸附材料捕獲CO2的技術受到廣泛的關注。目前，各種類型的多孔固態吸附材料不斷得到開發利用，其中主要包括氧化物分子篩、多孔炭、多孔有機物以及金屬有機框架（MOFs）材料等。通常情況下，高性能的吸附材料需要滿足大吸附量、高選擇性、易循環再利用以及高穩定性（特別是對水蒸汽）等特點。然而，能夠滿足以上所有需求的理想吸附劑仍然難以獲得。例如，傳統沸石13X的結構非常穩定，對CO2吸附具有較高選擇性，但其吸附量相對較低；經典的金屬有機框架材料Mg-MOF-74吸附量很高，且CO2/N2的選擇性也很好，然而水蒸汽的存在會顯著降低氣體的吸附量，甚至破壞材料的晶態結構，嚴重製約了實際應用。因此，尋找新型高效的無機固態多孔吸附材料是合成化學和材料化學界不斷努力的方向。

最近，蘇州大學的吳濤教授（點擊查看介紹）團隊和美國加州大學河濱分校的馮萍雲教授（點擊查看介紹）團隊合作，研究並報道了金屬硫化物分子篩多孔材料（RWY）對CO2的吸附性能。該沸石型硫屬多孔材料具有富硫的可極化「軟」表面、高孔隙率、全無機晶體骨架結構以及孔道內陽離子種類（電荷-體積比）可調等諸多優點，表現出高CO2吸附量和高CO2/N2選擇性。該團隊早期的研究工作曾證實，通過調節主客體間的相互作用，他們可對RWY型硫屬孔材料實現逐級高效的離子交換，從而實現對放射性核素Cs+的高選擇性消除（Chem. Mater.,2016, 28, 8774）。在該工作的基礎上，研究團隊進一步探討了經過逐級陽離子交換後的多孔硫屬分子篩材料（M@RWY）對CO2的選擇性吸附。研究結果表明，經過CsCl、RbCl和KCl逐級交換後得到的樣品（Cs@RWY、Rb@RWY和K@RWY）均表現出優異的CO2吸附性能，特別是K@RWY吸附材料，在273 K和1 atm下，最大的吸附量高達6.3 mmol/g，吸附焓為35.0-41.1 kJ/mol。更為重要的是，K@RWY在298 K和273 K時幾乎未表現出N2吸附，表明材料具有非常高的CO2/N2吸附選擇性。此外，K@RWY在對CO2吸附的可循環性、穩定性（抗水汽）等方面也表現出優異的性能。

這一成果近期發表在Inorganic Chemistry上，文章的第一作者是蘇州大學的博士後楊華軍、碩士研究生羅敏和美國加州大學河濱分校的博士研究生陳希同。

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