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分子篩中含有大量直徑均一的孔道結構，可以選擇性地吸附分子且選擇性較強。它的應用廣泛，對其性質的研究也格外重要。Micromeritics 為分子篩吸附劑孔道結構和吸附性能表征提供全套的氣體吸附表征技術，分析其比表面積、孔體積、孔徑分析、吸附容量和吸附選擇性等一系列參數。

從 1756 年最早在玄武巖的孔洞發現了微孔天然硅鋁酸鹽（也稱天然沸石）起至今，已發現的沸石超過 40 種，其中包括具有極大工業價值的斜發沸石、絲光沸石、菱沸石、片沸石等。天然沸石是一種高附加值的礦產資源，隨著人們對天然沸石的認識越來越詳細，其應用范圍也越來越廣。然而天然沸石受資源限制，不能滿足工業上的大規模需求。作為天然沸石的補充，人工合成沸石應運發展。首批人工沸石于 1948 年由聯合碳化物公司合成，也就是常說的分子篩，這標志著分子篩進入合成時代 [1] 。其開發出的 A 型（圖1a）和 X 型（圖1b）分子篩從 1954 年起作為工業吸附劑實現商業化應用。

圖1. a, b 分別為 A 型和 X 型分子篩的骨架結構

[AlO4] 和 [SiO4] 四面體（如圖 2）是分子篩最基本的結構單元，也稱初級結構單元 [2] 。相領的四面體通過共享氧原子按不同方式結合形成多元氧環，如四元氧環、六元氧環、八元氧環、十元氧環、十二元氧環等次級結構單元。氧環之間通過氧橋相互連結，形成具有三維網狀、高度有序晶格結構的分子篩。合成出的分子篩具有大的比表面積、非常規整的孔道結構以及可調控的功能基元。

圖2. [AlO4] 和 [SiO4] 四面體結構

因分子篩規則的晶體結構，可預測出高效吸附性與催化性等眾多優異性能，在吸附分離、化工、環保、能源、醫藥及新材料等眾多領域有廣泛的現實應用和巨大的應用潛力。

分子篩中含有大量直徑均一的孔道結構，可以選擇性地吸附分子，且選擇性較強。在實際應用中，分子篩用作吸附劑，人們利用其對各氣體組分的吸附選擇性差異，實現高效的氣體純化與分離。例如：在空氣凈化領域，分子篩可以吸附和去除有害氣體，提高空氣質量；在制氧機中，分子篩可以從空氣中提取出高純度的氧氣；在氫氣、氨氣等工業氣體的生產過程中，分子篩可以去除其中的微量雜質，提高產品的純度。

本文向各位讀者介紹分子篩孔道結構氣體吸附表征技術，探索分子篩孔道結構與吸附選擇性之間的關系。在眾多現有的分子篩表征分析方法中，氣體吸附技術是標準方法（如國家標準 GB/T 35109-2017）且被廣泛應用。

其中，靜態體積法氣體吸附理論成熟、操作簡便。在一定的溫度和壓力下，氣體吸附可精確地確定分子篩吸附的氣體量，從而可擬合出分子篩的孔體積、比表面積、孔徑分布以及孔的表面性質等孔結構相關的重要參數。

氮氣吸附等溫線計算分子篩吸附劑比表面積、孔體積和孔徑分布

圖 3 是采用 Micromeritics 3Flex 三站全功能型多用氣體吸附儀收集某一 Y 型分子篩在液氮溫度（77K ）下的氮氣吸附等溫線。3Flex 全功能型多用氣體吸附儀配置先進的傳感器、真空系統和最全面的分析模型，非常適合微孔（及超微孔）和介孔分子篩的氣體或蒸汽靜態吸附測試，提供卓越的準確性、分辨率和數據處理。由圖 3 數據通過 BJH 模型可計算出該分子篩的孔體積，通過 DFT 模型可計算孔徑分布。

（上）圖3. 某一 Y 型分子篩氮氣吸附等溫線 @77K on 3Flex

（下）Micromeritics 3Flex 三站全功能型多用氣體吸附儀

氫氣吸附等溫線測量分子篩吸附劑低壓儲氫量

圖 4 是采用 Micromeritics ASAP 2460 多站擴展式全自動比表面與孔徑分析儀收集某一 X 型分子篩在液氮溫度（77K）下的氫氣吸附等溫線。ASAP 2460 采用獨特的模塊化設計，可實現高通量測試（多達 6 站分析端口）。同樣，由圖 4 數據可計算出該分子篩的孔體積、孔徑分布以及氫氣吸附量。

（上）圖4. 某一 X 型分子篩氫氣吸附等溫線 @77K on ASAP 2460

（下） Micromeritics ASAP 2460 多站擴展式全自動比表面與孔徑分析儀

氫氣吸附等溫線測量分子篩吸附劑高壓儲氫量

圖 5 是采用 Micromeritics HPVA II 高壓氣體吸附儀收集某一 A 型分子篩在 45℃ @（1-35bar）下的氫氣吸附等溫線。HPVA II 高壓氣體吸附儀采用靜態容量法技術，收集氫氣、甲烷和二氧化碳等各種氣體在不同溫度下的高壓吸脫附等溫線，測定分子篩吸附劑的儲氫、二氧化碳封存以及烴類捕集等性能。圖 5 描述了給定壓力下該 A 型分子篩的氫氣吸附量，是檢驗分子篩儲氫能力的標準方法。

（上）圖5. 某一 A 型分子篩氫氣 吸附等溫線 @45℃ on HPVA II

（下）Micromeritics HPVA II 高壓氣體吸附儀

靜態體積法得到的比表面積和孔徑對于衡量分子篩的吸附性能至關重要，但不能指出氣體流動狀態下，尤其是存在多組分氣體時，分子篩對各組分氣體的吸附行為。動態吸附實驗則可模擬工業條件，通過固定床設計理念測定分子篩對目標分子（如 CO?、VOCs）的穿透曲線。穿透時間和飽和吸附容量是評價分子篩吸附劑性能的核心指標。

二氧化碳吸附穿透曲線測量分子篩吸附劑常壓吸附容量

圖 6 是采用 Micromeritics Autochem III 化學吸附儀收集商用 13X 型分子篩在 30℃ @ 1atm 下對單組分 50% CO2（bal. N2）流動氣體的穿透曲線。Autochem III 全自動化學吸附儀是應用最廣、被引用最多的氣體吸附表征系統，因其獨特的 preparation、carrier/reference 和 Loop 氣路設計，能夠對樣品進行原位預處理和活化。Autochem III 上配置的擁有最低限死體積的混氣閥，使其成為常壓、單組分氣體穿透分析最理想的設備。由圖 6 可明顯看出，13X 在常溫條件（30°C）下對 CO?表現出強吸附能力，吸附容量達到 4.53 mmol/g。

（上）圖6. 13X 分子篩的 二氧化碳吸附穿透曲線 on Autochem III

（下）Micromeritics Autochem III 化學吸附儀

二氧化碳吸附穿透曲線測量分子篩吸附劑高壓吸附容量

圖7是采用 Micromeritics Breakthrough Analyzer（BTA）穿透曲線分析儀收集商用 13X 型分子篩在30℃@（1-10 bar）下對單組分 50% CO2（bal.N2）流動氣體的穿透曲線。BTA 穿透曲線分析儀是一款外形緊湊、性能出色的多功能選擇性吸附儀，配置靈活的氣體或蒸汽輸送和管理系統，可模擬工藝相關條件下收集分子篩對單組分和多組分氣體或蒸汽的瞬態和平衡吸附數據。圖 7 數據結果表明在 1-10 bar 測試壓力范圍內 13X 分子篩均是非常有效的二氧化碳吸附劑，且其二氧化碳吸附量隨著壓力升高而增大。例如，10 bar 下13X 可吸附 15 mmol/g  二氧化碳。

（上）圖7. 13X 型分子篩在 30℃@（1-10bar）下的二氧化碳穿透曲線 on BTA

（下）Micromeritics Breakthrough Analyzer（BTA）穿透曲線分析儀

雙組分蒸汽穿透曲線計算分子篩吸附劑的吸附選擇性

圖 8 給出的是在 50°C @1bar 實驗條件下, 13X 分子篩對含水蒸汽的 N2 /含乙醇蒸汽的 He（1/1）混合氣的穿透曲線。圖 8 數據表明水和乙醇混合蒸汽在 13X 分子篩上存在明顯的競爭性吸附行為，水蒸汽的穿透時間比乙醇蒸汽稍微早一點，并且在達到飽和前有一段抬升現象（roll-up）。水和乙醇雙組分系統中，13X 分子篩對乙醇的選擇性更高。

圖8. a,b 分別是 13X 分子篩水和乙醇混合蒸汽的穿透曲線 on BTA

Micromeritics 為分子篩吸附劑孔道結構和吸附性能表征提供全套的氣體吸附表征技術，分析其比表面積、孔體積、孔徑分析、吸附容量和吸附選擇性等一系列參數。如您正在表征分子篩吸附劑，歡迎關注 Micromeritics，我們能夠全方位地滿足您的測試需求。

[1] ACS Symposium Series,1989, Molecular sieve science and technology.

[2] Journal of Chemistry, 2021, Effects of Li2O on Structure and Viscosity of CaO-Al2O3-Based Mold Fluxes.

關于麥克默瑞提克

Micromeritics 是提供表征顆粒、粉體和多孔材料的物理性能、化學活性和流動性的全球高性能設備生產商。我們能夠提供一系列行業前沿的技術，包括比重密度法、吸附、動態化學吸附、壓汞技術、粉末流變技術、催化劑活性檢測和粒徑測定。

公司在美國、英國和西班牙均設立了研發和生產基地，并在美洲、歐洲和亞洲設有直銷和服務業務。Micromeritics 的產品是全球具有創新力的知名企業、政府和學術機構旗下 10,000 多個實驗室的優選儀器。我們擁有世界級的科學家隊伍和響應迅速的支持團隊，他們能夠將 Micromeritics 技術應用于各種要求嚴苛的應用中，助力客戶取得成功。