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摘要：沸石具有吸附性、离子交换性、催化等性能，因此被广泛用作吸附剂、离子交换剂和催化剂。研究团队近期开发了一项技术，能够大幅提高沸石的耐久性，有望实现寿命更长、不需要更换的催化剂，此外，研究团队在研究降低成本方法的同时，还在考虑将这项技术应用于回收二氧化碳及畜牧业排放的氨气，并计划于2028年前后实现应用。

关键字：沸石、催化剂、耐久性、成本、储氢、二氧化碳高效回收材料

为遏制全球变暖和空气污染，需要一种能够高效吸收二氧化碳（CO₂）和氮氧化物（NOx），并将其转化为其他物质的材料，沸石是最佳候选材料之一。沸石由硅、铝和氧组成，长期以来一直被用作吸附剂和催化剂。目前，沸石的性能提升正在不断加速，作为催化剂，它寿命长，无需更换。到2050年沸石有望应用于与生物质燃料的结合、储氢等领域。

沸石（左）及其晶体结构模型

（图源网络）

沸石的结构当中有许多直径约为1纳米（纳米即十亿分之一米）的孔，可用于吸附二氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物等各种气体，并将其转换成其他物质。沸石除了能采取自天然矿物，还可以通过人工合成，自1950年代其人工合成方法创立以后，沸石便一直被用于工业用途。

现在，沸石广泛应用的场景之一是作为催化剂，用于公共汽车和卡车柴油发动机尾气去除氮氧化物，尾气中的氮氧化物被沸石的许多微孔捕获并转化为氮气。这一用途的沸石缺点在于耐久性，研究团队近期开发了一项技术，能够提高沸石的耐久性。

为提高沸石的耐久性，优化材料中硅和铝的比例非常重要。常规方法是先制备富含铝成分、比较易于合成的沸石，然后通过用硫酸等方法去除一部分铝对成分进行调整。但为了提升催化性能，用于柴油发动机的沸石的微孔直径被设计成小于1纳米，而铝无法通过这些孔，否则会导致材料损坏。

研究团队开发了一种新的方法，在向孔中添加了有机分子的状态下去除铝。在这种方法中，有机物的分子充当了孔的“支撑棍”，即使将铝从材料的骨架中移除，整体结构也不容易被破坏。该方法还结合了另一项技术，即在铝被移除的区域补充硅，修复晶体缺陷，从而提升耐久性。

使用新方法开发的沸石，即使在800摄氏度的水蒸汽中暴露7个小时后，仍能将一氧化氮以接近100%的转化效率转化为氮气。相比之下，传统成分的沸石在800摄氏度处理后的转换效率会降至40%以下。柴油发动机的废气温度有时可达到400-500摄氏度，本次开发的沸石在比实际环境更高的温度下仍表现出很高的耐久性。

目前，用于柴油发动机的沸石在一辆卡车的寿命（100万公里）周期内需要更换两次。本次开发的方法有可能实现寿命更长、不需要更换的催化剂。

本技术的难题在于降低成本。据估算，沸石的生产成本约为每公斤5000-6000日元（254-305人民币），但目前预计采用新技术的沸石成本会高出2000-3000日元（102-152人民币）。研究团队在研究降低成本的方法的同时，还在考虑将这项技术应用于回收二氧化碳及畜牧业排放的氨气，并计划于2028年前后实现应用。

全球环境的治理焦点往往集中于二氧化碳减排，但氮源物质也会引起各种环境污染问题，其治理同样至关重要。

氨和硝酸如果溶解在水中会使水质恶化，而工厂和汽车尾气中的氮氧化物会污染大气。当氮氧化物的净化反应不完全时，会产生一氧化二氮（N₂O），这是一种温室气体，氮氧化物是全球变暖的间接原因。

然而，氮对于包括人类在内的生物体来说，也是一种关键元素。人类在20世纪初发明了利用空气中的氮气合成氨的方法。现在，全世界每年生产约2亿吨氨，用于化肥等用途。氨还作为新一代燃料而受到关注，随着其用途扩大，减少其对环境影响的技术越发重要。

随着脱碳和氮化物治理的增速，全球都在积极开发吸附回收二氧化碳和氮氧化物的材料。除了沸石之外，结构当中包含许多微小孔洞的金属有机框架材料（MOF）也很有前景。

这些材料也有望用于氢等新一代燃料的储存。今后还需要根据使用环境、所需性能和成本等因素进行开发和应用。

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