科學家基于“離子門”效應設計新型分子篩材料

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員郭鵬、中國工程院院士劉中民團隊與遼寧師范大學教授李國輝團隊合作，設計構筑了一種高效選擇性吸附分離二氧化碳/乙炔（CO₂/C₂H₂）的分子篩材料，并結合結構解析及理論計算揭示了吸附分離過程中“離子門”效應的新機制。相關成果發表在《德國應用化學》。

C₂H₂是一種重要的化工原料，廣泛應用于石油化工和機械制造等領域。然而，在其生產過程中往往伴隨有CO₂的生成。目前，CO₂/C₂H₂分離主要依賴于高能耗的溶劑萃取和低溫精餾方法。相比之下，吸附分離是一種更具前景的分離方法，特別是利用優先選擇性吸附CO₂的吸附劑一步獲得高純C₂H₂。然而，由于CO₂和C₂H₂的動力學尺寸、極化率等十分接近，開發具有優先選擇性吸附CO₂的吸附劑仍面臨挑戰。

本工作中，團隊提出基于“離子門”效應的小孔分子篩吸附劑設計策略。研究人員以小孔CHA分子篩為研究對象，基于對CHA拓撲結構的拆解，設計理想的骨架外陽離子個數及骨架硅鋁比，并通過精確調控分子篩的硅鋁比、陽離子類型及含量等參數，構筑了選擇性識別吸附CO₂分子的K-CHA分子篩，實現了C₂H₂的一步高效純化，并利用X-射線粉末衍射結構精修，從原子層面確定了K離子在K-CHA骨架中的落位。進一步，研究人員結合理論計算表征揭示了K-CHA選擇性吸附分離CO₂/C₂H₂的機制。在之前報道的“離子門”效應中，占據孔口的離子短暫可逆地遷移使得氣體分子擴散通過，本工作中，研究人員發現離子與氣體分子會發生協同遷移，離子在不同的晶體學落位上將發生重排。這為“離子門”機制提供了新的見解。

該研究為設計選擇性吸附分離的分子篩材料提供了理論依據。

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202522386