LTA型沸石中框架阳离子对CO2 吸附与选择性的调控机制研究

研究人员针对LTA沸石中阳离子类型对CO2 吸附性能的影响展开研究，通过系统比较碱金属/碱土金属（如Na+ 、K+ 、Ca2+ ）的交换效应，发现Ca2+ 可提升最大吸附量至5.53 mmol/g（1000 kPa），而K+ 交换后CO2 /N2 选择性达65.3 mol/mol，揭示了阳离子空间位阻与"陷阱门"效应的协同作用，为定向设计高效碳捕集材料提供理论依据。

　　

研究背景与意义
在全球碳减排背景下，直接空气捕获（DAC）技术成为应对气候变化的关键手段。沸石因其独特的微孔结构和阳离子可调性，被视为理想的CO₂
吸附剂。LTA型沸石（Lind Type A）作为经典沸石材料，其由TO₄
四面体（T=Si/Al）构成的α笼和8元环窗口，可通过电荷补偿阳离子（如Na⁺
、Ca²⁺
）的交换实现性能调控。然而，阳离子类型如何影响CO₂
的吸附容量与选择性，特别是对N₂
/CH₄
的分离效能，仍是亟待解决的科学问题。

国家科学技术发展委员会支持的科研团队在《Microporous and Mesoporous Materials》发表的研究，系统探究了碱金属（K⁺
）和碱土金属（Ca²⁺
、Sr²⁺
）在LTA沸石中的位置效应，揭示了阳离子半径与价态对吸附行为的双重影响。研究发现，二价钙离子通过占据6元环位点（Site I）释放8元环通道，而大尺寸钾离子则通过"陷阱门"机制实现分子筛分，这些发现为工业废气处理和DAC系统提供了材料设计新思路。

关键技术方法
研究采用水热法合成Na-LTA沸石，通过离子交换引入K⁺
、Ca²⁺
、Sr²⁺
等阳离子。利用X射线衍射（XRD）分析晶体结构变化，傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测阳离子振动模式。气体吸附测试包含高压静态吸附（1000 kPa）和模拟DAC条件的动态固定床实验（450 ppm CO₂
），通过理想吸附溶液理论（IAST）计算CO₂
/N₂
和CO₂
/CH₄
选择性。

研究结果

Synthesis and cation exchanges
XRD显示二价阳离子交换后15°处出现新衍射峰，对应阳离子重排引起的晶格畸变。Ca²⁺
交换导致8元环位点（Site II）空置，而K⁺
因半径较大（1.38 ?）同时占据6元环和β笼中心，这种差异通过FTIR的骨架振动峰偏移得到验证。

Adsorption performance
高压吸附测试表明，Ca-LTA在1000 kPa时吸附量达5.53 mmol/g，比Na-LTA提升25.7%，归因于8元环通道的开放。但在450 ppm低浓度下，Sr-LTA表现出最佳动态吸附能力（0.2251 mmol/g），因其平衡了孔道通达性与阳离子亲和力。

Selectivity analysis
K-LTA展现出卓越的选择性：1000 kPa时CO₂
/N₂
和CO₂
/CH₄
分别达65.3和33.4 mol/mol，归功于钾离子的"陷阱门"效应——其空间位阻允许CO₂
（动力学直径3.3 ?）通过而阻挡N₂
（3.6 ?）和CH₄
（3.8 ?）。

Conclusions
该研究阐明LTA沸石中阳离子的三重作用规律：价态决定位点占据（二价离子空置Site II）、半径影响扩散阻力（大离子产生分子筛分）、位置调控孔道通达性。Ca²⁺
适合高浓度CO₂
捕集，K⁺
适用于低浓度选择性分离，而Sr²⁺
在DAC场景表现突出。这些发现建立了"阳离子-结构-功能"的定量关系，为开发新一代智能吸附材料奠定基础。

讨论与展望
研究首次系统比较了碱金属与碱土金属在LTA中的竞争效应，指出二价阳离子虽提升容量但会牺牲选择性。未来可探索混合阳离子策略，如Na⁺
/Ca²⁺
共存的协同效应。该成果对天然气净化（CO₂
/CH₄
分离）和燃煤烟气处理（CO₂
/N₂
分离）具有直接指导价值。