在碳中和的背景下,，用于吸附、催化的新材料——分子篩漸受關(guān)注,。廣義上講,，分子篩指的是孔徑大小與分子尺寸相當(dāng)從而具有分子篩分能力的一類多孔物質(zhì)。狹義上講,，分子篩指的是結(jié)晶態(tài)的硅酸鹽或硅鋁酸鹽,，其是由硅氧四面體或鋁氧四面體（TO4四面體）通過氧橋鍵相連而形成具有分子尺寸有序孔道的多孔固體，即常說的沸石分子篩,。

據(jù)介紹,，分子篩吸附劑是通過物理吸附，“篩分”空氣中的二氧化碳,、氮?dú)獾瘸煞?，從而達(dá)到提純目標(biāo)氣體的目的。由于分子篩具有吸附能力高,、選擇性強(qiáng),、耐高溫的優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于石油化工,、煤化工,、空氣分離與凈化、環(huán)境治理等多個(gè)領(lǐng)域,。

據(jù)專家介紹,，目前碳中和的可行性技術(shù)共有四大路徑，分別為：能源轉(zhuǎn)型,、碳捕捉與利用,、低碳生活、植物碳匯,，上述技術(shù)路徑均可尋覓到分子篩應(yīng)用的場景,。據(jù)預(yù)測,，隨著新興經(jīng)濟(jì)體的石油和天然氣行業(yè)的不斷壯大，2020年-2025年全球分子篩市場規(guī)模的復(fù)合年增長率為5.65%,，將在2025年達(dá)到43.90億美元,。

柴油車尾氣脫硝用分子篩催化劑

（圖片來源：建龍微納）

分子篩的部分應(yīng)用

二氧化碳吸附

二氧化碳是一種常見的氣體，也是主要的溫室氣體,，如何經(jīng)濟(jì)有效地降低大氣中二氧化碳水平是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)境問題,，目前主要包括從燃燒后工業(yè)尾氣中去除二氧化碳（煙氣捕集）以及大氣中二氧化碳的直接捕獲（DAC）兩種途徑。除了降低溫室效應(yīng),，高效選擇性捕獲二氧化碳在很多工業(yè)過程有重要意義,。例如，天然氣中二氧化碳的存在會造成天然氣運(yùn)輸和儲存系統(tǒng)管道的腐蝕,，需要將其降至一個(gè)比較低的水平以下,。總之,，二氧化碳/氮?dú)?、二氧化?甲烷等混合體系的分離和選擇性二氧化碳捕獲在化工和環(huán)境領(lǐng)域都有重要意義。

分子篩原粉對于弱酸性二氧化碳的吸附量較高,，因此很多研究集中于堿金屬交換的分子篩和商業(yè)分子篩原粉對于二氧化碳的選擇性吸附,。FAU，CHA,，MFI和LTA等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分子篩比表面積和孔道大小適中,，穩(wěn)定性較好，制備方法簡單,，成為二氧化碳吸附領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),。

目前研究多基于常溫下未改性的分子篩對二氧化碳的吸附，作用力主要是物理吸附,。隨著溫度的升高,，依靠物理吸附作用的分子篩吸附劑的吸附能力會迅速下降。氨基改性的方法可以解決高溫?zé)煔舛趸疾东@等特定情況下分子篩吸附選擇性不夠強(qiáng)的問題,。氨基改性的方法主要包括嫁接法和浸漬法：嫁接法是利用化學(xué)鍵將氨基連接到載體表面,；浸漬法是通過范德華力實(shí)現(xiàn)活性組分在吸附劑表面的附著和分散。

綜上,，分子篩原粉對二氧化碳具有一定吸附捕獲能力,，如何對分子篩材料進(jìn)行改性進(jìn)一步提高吸附量與選擇性，以及如何提高水蒸氣存在下分子篩對二氧化碳的吸附量,，將是未來二氧化碳分離和捕獲領(lǐng)域研究的重點(diǎn),。

二氧化硫吸附

二氧化硫（SO2）是最常見的導(dǎo)致酸雨和地面臭氧層形成的空氣污染物，煙氣中二氧化硫的脫除備受關(guān)注,。與二氧化碳類似,，商業(yè)分子篩原粉對于酸性二氧化硫分子的吸附容量很高，分子篩原粉自身就具有一定的二氧化硫脫除能力,。X,，Y與A型分子篩是研究最廣泛的幾種二氧化硫脫除材料，即使在高溫和低二氧化硫濃度條件下,，仍然可以實(shí)現(xiàn)高效的脫除,。

氮氧化物吸附

氮氧化物是大氣污染的主要來源之一，可以形成酸雨破壞生態(tài)環(huán)境,，還可能形成光化學(xué)煙霧,，危害人類健康，因此有效脫除氮氧化物已經(jīng)成為一個(gè)備受關(guān)注的課題,。氮氧化物種類眾多,，常見的包括氧化亞氮、一氧化氮和二氧化氮,，主要來源于固定源的工業(yè)廢氣排放,，同時(shí)也來源于移動源的機(jī)動車尾氣。

氧化亞氮的脫除主要依靠催化分解,，此種方法顯然不夠經(jīng)濟(jì),。吸附法是一種可行的解決方案，在吸附劑上選擇性地吸附氧化亞氮,，在解吸過程中產(chǎn)生濃縮氧化亞氮可作為選擇性氧化劑應(yīng)用于下游化學(xué)品生產(chǎn)過程,。此方案既可減少氧化亞氮的排放，又可實(shí)現(xiàn)其循環(huán)利用,，符合綠色化學(xué)的基本原則,。氧化亞氮和二氧化碳是等電子體，二者在分子篩上的吸附行為非常類似,。多種商業(yè)分子篩原粉對氧化亞氮表現(xiàn)出較高的吸附量,。

吸附VOCs

揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是我國大氣污染的重要組分,。一般而言,，VOCs是沸點(diǎn)在50~260℃之間、室溫下飽和蒸汽壓高于133.32Pa的易揮發(fā)有機(jī)物,。VOCs來源廣泛,，石油化工、煤化工及精細(xì)化工等行業(yè)中均有大量排放,。大量的VOCs可以形成光化學(xué)煙霧和二次有機(jī)氣溶膠,，危害人體健康和生態(tài)環(huán)境。

物理吸附和化學(xué)吸附是主要的分子篩吸附方式,。物理吸附分為單層吸附和多層吸附兩種形式,，分子篩通過范德華力等分子間相互作用力將VOCs吸附到表面,。化學(xué)吸附是單層吸附,，分子篩與VOCs通過化學(xué)鍵作用將其固定在表面,。

近年來，沸石分子篩在VOCs治理領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用,。分子篩具有較大的比表面積,、豐富的微孔結(jié)構(gòu)、可控的表面疏水性能及安全性能(不易燃),，通過分子篩優(yōu)選,、表面改性、結(jié)構(gòu)調(diào)整等方法可制得吸附量較大的吸附劑,。分子篩作為常用的工業(yè)催化劑,，經(jīng)過改性或負(fù)載Pt、Pd等貴金屬以及過渡金屬,、稀土金屬后,，也具有較優(yōu)異的吸附-催化氧化性能,。

氫氣儲存吸附

氫氣（H2）能源是一種儲量大,、能量密度高的能源，但其有易燃,、易爆的缺點(diǎn),，如何安全,、高效地儲存運(yùn)輸氫氣引起了廣泛關(guān)注。使用納米多孔吸附劑作為氫氣儲存材料,，可以在溫和條件下更安全,、更經(jīng)濟(jì)地儲存氫氣，具有重要的意義,。分子篩價(jià)格低廉且穩(wěn)定性好,，具有一定的研究價(jià)值。

沸石分子篩的合成方法

水熱合成法

水熱合成法是指水溶液中的反應(yīng)物質(zhì)（硅源,、鋁源,、礦化劑、無機(jī)或有機(jī)模板劑等）在一定溫度和壓強(qiáng)下進(jìn)行特定化學(xué)反應(yīng)的過程,。密閉反應(yīng)釜中的水在晶化過程中處于超臨界狀態(tài),，使得硅鋁酸鹽溶解、重排和自聚,，在不同的條件下形成多種結(jié)構(gòu)類型的沸石分子篩,。該方法的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)物純度高、分散好和形貌易控制，其缺點(diǎn)是需要耐高溫高壓的設(shè)備且需要大量水溶劑,。

溶劑熱合成法

研究人員主要以有機(jī)物為溶劑合成沸石分子篩,。由于有機(jī)物種類繁多，物理和化學(xué)性質(zhì)各不相同,，所以為合成新結(jié)構(gòu)分子篩提供了多種可能,。溶劑熱合成法開辟了一條合成沸石分子篩的新途徑，得到了水熱條件下沒法得到的新結(jié)構(gòu),。由于該方法需要使用大量有機(jī)溶劑，合成成本高,，晶化周期相比水熱條件更長,，不利于工業(yè)生產(chǎn)，因此應(yīng)用受限,。

微波合成法

此方法具有瞬間獲得高能和晶化周期短等特點(diǎn),。研究人員利用微波法制備出了ZSM-5和Y型分子篩；利用微波技術(shù)制備出了A型分子篩膜,。但因?yàn)槲⒉ㄊ歉吣芪镔|(zhì),，輻射對人體有害，且對設(shè)備有特定要求,，這在一定程度上阻礙了其工業(yè)化應(yīng)用

無溶劑合成法

該方法只需將原始固體材料進(jìn)行簡單的研磨,、混合均勻和加熱即可晶化得到沸石分子篩，在有機(jī)模板劑存在的條件下,，研究人員成功合成出了ZSM-5分子篩,、Beta分子篩；進(jìn)一步地,，在無有機(jī)模板劑的條件下,，Beta、ZSM-5和LTA等分子篩也可以獲得,。

無溶劑法合成分子篩的示意圖

資料來源：

劉珊珊等：分子篩材料在小分子吸附分離中的應(yīng)用,，南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2021

劉強(qiáng)等：分子篩材料在VOCs治理中的應(yīng)用研究進(jìn)展，中國五環(huán)工程有限公司2020

王葉青：可持續(xù)發(fā)展路線合成分子篩,，浙江大學(xué)2017

上海證券報(bào)等,。