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国重室王殳凹教授团队在辐射化学合成及分子筛应用领域取得重要进展

发布者:佟鑫发布时间:2021-04-19浏览次数:28


沸石分子筛(zeolites)因其良好的吸附、催化和离子交换性能,广泛应用于石油化工、分离纯化和环境治理等领域。工业上主要采用高温水热法制备沸石分子筛,但其结晶时间长、能耗高,并且合成体系内存在高压风险。随着沸石分子筛应用的不断拓展,快速、高效、绿色的沸石分子筛合成法成为关注的焦点。在过去的几十年中,研究者们致力于许多新方法的探索,包括干胶转化法、离子热法、微波辅助法、无溶剂法等,但这些新方法很难实现规模化生产沸石分子筛。

近日,苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室、医学部放射医学与防护学院王殳凹教授团队率先利用高能电子束辐照,室温常压下快速制备了富缺陷的沸石分子筛,相关工作以Communication形式发表于Angew. Chem., Int. Ed.杂志上(DOI: 10.1021/anie.202103766)。

研究团队从沸石分子筛合成方法学入手,使用电子加速器(1.5 MeV)产生的高能电子束作为一种外加的能量源,促进沸石分子筛的合成。在室温常压下,老化后的硅铝酸盐凝胶在电子束下照射13.3 min,制备高度结晶的LTA沸石。相比于传统的水热法,辐射法显著加速反应的结晶速率,并降低近一个数量级的能耗。此外,电子束在沸石形成过程中存在辐射刻蚀效应,从而产生晶体缺陷、形成新的大孔,并且可以通过吸取剂量调控孔径。该方法兼顾高效、快速、绿色等特点,并且具有普适性,分别又合成LTNSOD沸石分子筛,为沸石分子筛的绿色合成提供一种新路径。更为重要的是,高能电子束辐射合成的沸石分子筛在气体吸附及重金属去除方面相比于水热合成的样品具有显著的性能优势。

通过粉末衍射(PXRD)、固体核磁(MAS-SSNMR)和氮气吸附等测试,对沸石分子筛进行系统表征。PXRD表明辐射法所制备的沸石样品均具有良好的结晶性;氮气吸附实验证明辐射法所制备的沸石样品也具有较高的比表面积和富含缺陷位点的多级孔结构;SSNMR证明辐射法所制备的沸石样品的结构中只存在一种铝环境,且结构中的缺陷为簇结构和非簇结构的Si-OH

静态水吸附测试表明,Na-A-1000 kGy样品达到HG/T 2524-2010国家优等品标准,证明其具有良好的商业化前景。此外,二氧化碳吸附测试表明,辐射法所制备的沸石样品的吸附性能显著提升,其中Na-A-500kGy的吸附量达到87.85 cm3/g,是实验室水热合成的和商业沸石的2 - 3倍。

进一步测试了材料对重金属离子Ni2+和碱土金属离子Sr2+的吸附性能,并将其与实验室水热合成的和商业沸石的进行比较。Ni2+吸附实验结果表明,相比于实验室水热合成的Na-A沸石(141.04 mg/g)和商业Na-A沸石(152.90 mg/g),辐射合成的Na-A沸石具有更快的吸附动力学(1 min,由于辐射合成沸石具有更加有利于传质的多级孔结构)和更高的吸附容量(222.22 mg/g),并且显著高于理论吸附容量(120.20 mg/g)。这是由于辐射合成的Na-A沸石中大量的Si-OH缺陷能够作为通过络合配位作用捕获Ni2+的新位点。对于Sr2+,辐射合成Na-A沸石也具有快速的吸附动力学,但吸附容量未提升(由于Sr2+一般不发生配位作用)。对Ni2+重复利用实验表明,Na-A-1000 kGy样品的吸附性能不受影响,且三轮吸附/脱附后其仍能保持晶型。

 

本工作将核技术与晶态多孔材料相结合,拓宽沸石分子筛的合成方法。此外,电子束辐射可以诱导材料缺陷的生成,进而显著提升材料对客体分子的吸附性能,并在催化及其他领域中有着潜在的应用。

yabo手机版放射医学与防护学院硕士生陈俊畅、博士生张明星,分析测试中心舒婕副研究员为共同第一编辑,国重室王殳凹教授为通讯编辑。该工作得到了国家自然科学基金重大项目、杰出青年基金、青年基金等的经费支撑。

文章链接:https://doi.org/10.1002/anie.202103766.


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