高选择性CO吸附材料的简易合成：基于π-复合作用的Cu(I)负载颗粒活性炭在工业气体分离中的应用

本研究针对工业混合气中CO选择性分离的难题，开发了通过π-复合作用实现高CO选择性的Cu(I)负载颗粒活性炭(AC)吸附剂。团队通过蒸汽活化调控载体孔隙结构（BET表面积达1479 m2/g），优化CuCl2负载与623 K还原工艺，使吸附剂在100 kPa下对CO吸附量达2.68 mmol/g，CO/CO2选择性达8.1，突破实验证实其实际分离效能。该研究为钢铁、化工行业副产气资源化提供了新型解决方案。

　　

研究背景与行业痛点
一氧化碳(CO)作为化工行业合成醛类、甲醇的关键原料，广泛存在于钢铁冶金行业的焦炉气、高炉气等工业副产气中。然而，传统分离技术如COSORB法存在Cu⁺易氧化失活、溶剂污染等问题，而低温蒸馏又面临CO₂冻结的瓶颈。更棘手的是，由于CO₂分子具有更强的四极矩，常规吸附剂往往优先吸附CO₂而非目标产物CO。这种"选择性倒置"现象使得工业气体净化成本居高不下。

技术突破与核心发现
韩国研究团队在《Separation and Purification Technology》发表的研究中，创新性地将π-复合作用原理与颗粒活性炭载体相结合。通过精确调控载体孔隙结构（蒸汽活化3小时使平均孔径从2.06 nm增至2.32 nm），并采用CuCl₂·2H₂O浸渍后623 K还原的工艺，成功构建了具有σ-π协同作用的新型吸附位点。这种Cu(I)-AC材料展现出惊人的CO选择性：在100 kPa下对CO/H₂的选择性高达2429倍，远超传统材料。

关键技术方法
研究采用蒸汽活化调控载体孔隙结构，通过非局部密度泛函理论(NLDFT)分析孔径分布；运用X射线光电子能谱(XPS)确认Cu⁺价态；采用Langmuir-Freundlich模型结合理想吸附溶液理论(IAST)计算选择性系数；通过动态穿透实验验证混合气分离性能；在N₂氛围573 K条件下实现吸附剂再生。

重要研究结果

1. 载体活化优化：蒸汽活化使AC的介孔比例(V_meso/V_total)显著提升，为Cu物种分散提供理想场所。
2. 吸附性能突破：最优样品02-Cu(I)-AC的CO吸附量达2.68 mmol/g，且CO/N₂选择性达107.2，突破工业应用阈值。
3. 机理揭示：XPS证实Cu⁺与CO形成可逆π-复合键，其键强介于物理吸附与化学吸附之间，实现高效吸附-脱附循环。
4. 工程验证：穿透实验显示在CH₄:CO:CO₂=1:10:1的混合气中，CO回收纯度超99%。

结论与行业价值
该研究通过"载体活化-金属负载-价态调控"三位一体的设计策略，解决了Cu⁺易氧化、CO选择性不足等关键技术瓶颈。特别值得注意的是，2 mm直径的颗粒化设计既降低了床层压降（相比粉体），又通过增大扩散阻力意外提升了Cu(I)位点的抗氧化稳定性。这种"鱼与熊掌兼得"的材料设计理念，为工业吸附剂开发提供了新范式。研究团队进一步证实，氧化失活的吸附剂可在N₂氛围中573 K再生，其CO吸附容量恢复率达97%，这项发现直接回应了产业化最关心的稳定性问题。这些突破使得该技术有望替代传统COSORB工艺，应用于钢铁企业富CO尾气的资源化利用，预计可降低分离能耗30%以上。