乙炔（C₂H₂）是现代化学工业中至关重要的原料，广泛应用于合成纤维、金属焊接（氧乙炔焊）、碳纳米管等碳材料合成领域。工业上乙炔主要通过石油裂解或甲烷部分氧化制备。在此过程中，二氧化碳（CO₂）作为主要副产物，其浓度可达乙炔的一半，因此从混合气中高效去除CO₂是乙炔纯化的关键步骤。目前工业上常用的乙炔/二氧化碳分离方法（如低温蒸馏和有机溶剂萃取）存在能耗高、操作复杂、溶剂挥发带来环境风险等问题，不符合绿色化工和可持续发展要求。沸石作为一种结构多样、成本低廉、稳定性好的传统吸附剂，在工业吸附过程中具有重要地位。以往沸石中C₂H₂/CO₂分离主要依赖过渡金属阳离子（如Cu⁺, Ag⁺）与C₂H₂的d–π弱化学作用，虽能提升C₂H₂吸附，但也带来明显缺陷：（1）过渡金属对CO₂仍有较强作用，导致选择性不理想；（2）需高温脱附，能耗高且易引起C₂H₂聚合；（3）工业气流中的乙烯（C₂H₄）和水蒸气会严重干扰吸附；（4）长期循环中金属易氧化团聚，导致结构劣化与性能下降。因此，开发一种不含过渡金属、能避免CO₂预脱附、具备良好耐湿性与循环稳定性的沸石基C₂H₂/CO₂分离材料，成为该领域待突破的问题。

针对上述问题，吉林大学梁志强教授和宋晓伟教授课题组联合天津工业大学梅东海教授，提出通过引入低电荷密度有机阳离子（四甲基铵根离子，TMeA⁺）调控沸石孔道内静电势梯度的新策略，以克服传统弱化学吸附机制的局限，实现高效、低能耗、稳定的C₂H₂/CO₂分离。如图1所示，NaY-5.8和NH₄Y-5.8对C₂H₂和CO₂的吸附等温线均为典型的I型，且吸附量接近，表明无选择性。而TMeA-Y-5.8的吸附行为发生根本性转变：C₂H₂吸附仍为I型，但CO₂吸附转变为近乎直线型的准线性等温线。基于吸附等温线，通过理想吸附溶液理论（IAST）预测的C₂H₂/CO₂（50/50）混合气选择性显示，TMeA-Y-5.8的选择性上升至16.1，超过了NaY-5.8（1.79）和NH₄Y-5.8（3.41）。雷达图和性能对比图进一步表明，其综合性能（选择性、吸附量）超过了众多已报道的MOFs、COFs等材料。C₂H₂和CO₂在TMeA-Y-5.8上的吸附动力学曲线表明，虽然CO₂初始吸附速率略快，但其平衡吸附量远低于C₂H₂。这证明分离机制主要源于热力学平衡差异，而非动力学扩散筛分。在基准条件（C₂H₂/CO₂/Ar = 10/5/85）下，TMeA-Y-5.8的C₂H₂穿透时间长达40.85 min/g，而CO₂几乎紧随载气Ar穿透（3.54 min/g），形成了宽阔的分离平台（如图2所示）。其动态分离因子高达13.1，与静态IAST预测值（16.1）吻合，显著优于NaY-5.8（3.27）和NH₄Y-5.8（4.45）。除此之外，TMeA-Y-5.8具备优异的操作弹性、低能耗再生能力和抗杂质干扰能力。从DFT计算，差分电荷密度分析以及相对介电常数等多角度进一步验证了静电势梯度调控机制。本研究证实通过调节沸石孔道内静电势梯度可实现对相似物理性质气体的高效识别与分离，为今后设计高性能沸石吸附剂提供了新的理论思路和材料平台。

图1. TMeA-Y-5.8的静态吸附性能表征。

图2. TMeA-Y-5.8的动态吸附性能表征。

该研究成果以“Electrostatic Potential Gradient Modulation by Organic Cations in Zeolite for Efficient C₂H₂/CO₂Separation”为题发表在Journal of the American Chemical Society（DOI: 10.1021/jacs.5c14895）上。四虎影视 博士研究生李仁浩与刘晨旭为共同第一作者，吉林大学宋晓伟教授、梁志强教授和天津工业大学梅东海教授为通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFB3504000）、中国国家自然科学基金（项目编号：22375070和22288101）等项目的资助。

论文链接：//doi.org/10.1021/jacs.5c14895