新型疏水核壳结构沸石@MOF纳米吸附剂在CO2捕获中的应用研究

为解决沸石13X在潮湿条件下CO2吸附效率下降的问题，研究人员开发了一种新型核壳结构沸石13X@ZIF-8纳米吸附剂。通过二乙醇胺（DEA）表面功能化促进ZIF-8壳层均匀生长，该复合材料在25℃和1 bar条件下CO2吸附量达1.6 mmol/g，优于单一组分材料，并展现出优异的循环稳定性（40次循环后保留94.5%容量）。这项研究为工业烟气处理提供了高效、经济的疏水吸附剂解决方案。

　　

随着全球碳排放问题日益严峻，CO₂捕获技术成为研究热点。传统沸石13X虽具有高比表面积和热稳定性，但其亲水性导致在潮湿环境中CO₂吸附性能显著下降。这一缺陷严重限制了其在含水分工业烟气处理中的应用。如何赋予沸石材料疏水特性，同时保持其优异的CO₂吸附能力，成为当前研究的重点挑战。

伊朗科技大学化学、石油与天然气工程学院的研究人员创新性地提出将沸石13X与金属有机框架（MOF）材料ZIF-8结合的策略。ZIF-8以其疏水性和3.4?的孔径著称，能有效阻隔水分子同时允许CO₂通过。研究团队通过二乙醇胺（DEA）介导的两步原位生长法，成功构建了具有明确核壳结构的沸石13X@ZIF-8复合材料，相关成果发表在《Journal of CO2 Utilization》上。

研究采用X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）验证材料结构，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察形貌特征，氮气吸附-脱附测试分析孔隙结构，水接触角（WCA）测量评估疏水性，并系统考察了不同温压条件下的CO₂吸附性能。

3.1 结构与化学表征

XRD显示复合材料同时保留沸石13X的特征峰（2θ≈6.2°）和ZIF-8的特征峰（7.3°），证实两者晶体结构完整。SEM观察到ZIF-8纳米晶体均匀包覆在沸石表面形成连续壳层，TEM进一步揭示约200nm厚的致密ZIF-8壳层。氮气吸附显示复合材料微孔体积达0.53 cm³/g，水接触角测试表明其疏水性显著提升，水滴在60秒内保持稳定形态。

3.2 气体吸附实验

在25℃和1 bar条件下，复合材料CO₂吸附量达1.6 mmol/g，较纯沸石13X（1.2 mmol/g）和ZIF-8（0.85 mmol/g）分别提高33%和88%。温度升至55℃时仍保持3.6 mmol/g的吸附量，显示优异的热稳定性。IAST选择性分析表明，对CO₂/N₂（15:85混合气）的选择性达14.7，优于纯ZIF-8（11.0）。

3.3 CO₂吸附机制

吸附过程涉及多重协同作用：沸石核心的Na⁺与CO₂的静电相互作用、ZIF-8壳层的π-π相互作用、DEA修饰引入的氢键作用，以及核壳界面处的分子富集效应。ZIF-8的疏水特性有效阻隔水分子，保护沸石核心的活性位点。

3.4-3.6 模型分析

Temkin等温模型（R²=0.9998）最佳拟合吸附数据，表明表面能量分布均匀。Elovich动力学模型显示吸附过程存在化学吸附贡献。热力学参数ΔH°=-17.364 kJ/mol证实为放热过程，ΔG°在25℃时为-8.229 kJ/mol，证实过程自发进行。

3.8 再生稳定性

经过40次吸附-脱附循环后，复合材料仍保留94.5%的初始容量，每次循环容量损失仅0.14%，展现卓越的循环稳定性。

这项研究通过巧妙的核壳结构设计，成功解决了沸石材料在潮湿环境应用的瓶颈问题。复合材料兼具沸石的高吸附性能和MOF的疏水特性，其温和的合成条件和优异的循环稳定性，为工业烟气CO₂捕获提供了经济高效的解决方案。特别是采用天然高岭土为原料，大幅降低了生产成本，具有显著的工业化应用前景。研究提出的DEA介导生长策略，也为其他核壳功能材料的制备提供了新思路。