东北师范邹小勤&朱广山等人JACS：SSZ-13沸石气体分离膜最新进展！

通讯作者：Yi Xing；朱广山；邹小勤

通讯单位：北京航空航天大学；东北师范大学

分子状态是沸石膜精确分离气体的关键，但状态控制仍然是一个很大的挑战。

因此，东北师范大学邹小勤教授、朱广山教授和北京航空航天大学Yi Xing报道了在SSZ-13沸石膜上，NO2二聚可促进SO2/NO2的高效分离。SO2的高透过率为2×10-7 mol m-2 s-1 Pa-1，SO2/NO2的分离系数为未发生二聚反应时的22~50倍。

图1. (a)经典和二聚驱动的气体分离示意图，(b) CHA沸石和动力学/Bondi分子尺寸(SO2, NO2, N2O4)，SSZ-13膜的(c)顶部和(d)横切面SEM及XRD。

相关工作以“SO2/NO2 Separation Driven by NO2 Dimerization on SSZ-13 Zeolite Membrane”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

图2.SSZ-13膜上单一气体(5% SO2/95% N2或5% NO2/95% N2)的渗透率和SO2/NO2理想SF与(a)温度(0.15 MPa)和(b)压力(288 K)的关系。

要点1. 作者提出了一种特殊的方法，称为二聚驱动分离，用于选择性膜渗透SO2。温度和压力触发NO2二聚形成大分子尺寸的N2O4，N2O4的Bondi分子尺寸大于SO2 (N2O4为4.6 Å，SO2为4.3 Å)。在尺寸排斥的基础上抑制N2O4扩散到沸石孔内，导致分离选择性高。

要点2. 作者合成了用于SO2/NO2分离的SSZ-13 (CHA型)分子筛膜。SSZ-13具有椭圆形气孔，孔径为3.7×4.2 Å，是SO2在N2O4上的理想分子筛。进一步证明NO2二聚后，SO2具有比N2O4更小的粒径和更高的极化率的共贡献，理论上有利于SO2通过膜。

要点3. SO2会优先通过SSZ-13膜，SO2的高透过率为2×10-7 mol m-2 s-1 Pa-1，SO2/NO2的分离系数为未发生二聚反应时的22~50倍。SO2/NO2分离的二聚效应在NaA等其他小孔分子筛中普遍存在。SSZ-13可在高二氧化硅中形成，使其具有良好的化学稳定性(即耐酸性)，适用于烟气中的气体分离。

图3. (a)在黑暗条件下(288 K)，用DRIFTS测量了SSZ-13膜暴露于NO2(2.5%)的红外光谱;(b) DFT计算了三种N2O4异构体在SSZ-13膜上的吸附焓;(c) SO2、NO2和N2O4在SSZ-13膜上的密度分布。

图4. (a) SO2和NO2在NaA和ZSM-5膜上随温度变化的单气体渗透;SO2/NO2二元混合物(5% SO2/5% NO2/90% N2)在SSZ-13膜上的分离受(b)温度(0.15 MPa)、(c)压力(288 K)和(d)时间(0.15 MPa, 288 K)的影响。

链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.2c01635