煤层气是一种存储在煤层中的以甲烷为主要成分的气体能源，但由于地质赋存条件和开采方式的原因，导致其混入大量的空气形成低浓度煤层气，需要进一步分离富集。其中，N2与CH4性质十分相近，导致其分离难度很大，一直以来是世界范围内的研究热点和难点。
课题组在前期工作中发现，小孔沸石K-CHA对CH4/N2具有较高的选择性，是一种很有潜力的CH4/N2分离沸石吸附剂，然而狭小的孔道使得气体传质速率较慢，导致气体吸附后难以脱附，且吸附容量低，限制了低硅铝比的小孔沸石在CH4/N2分离的应用。在本工作中，通过连续使用晶种诱导合成法，即晶种迭代法合成了纳米级的K-CHA沸石。
图1. 晶种迭代法示意图
在晶种迭代过程中，产物的晶体尺寸逐渐变小，并在第四代保持不变。最终合成的纳米K-CHA沸石是由~50 nm的纳米晶体聚集成的500 nm纳米左右的团聚体，具有大孔-中孔-微孔-超微孔的多级孔道结构。
图2. 晶种迭代过程分子筛的形貌变化
CHA沸石分子筛的纳米化极大地提升了气体分子在吸附剂中的传质速率，提高了晶体内部孔容的利用率，从而使其具有目前沸石类吸附剂中对CH4最高的吸附量，为40.12 cm3/g。
图3. 微米和纳米级K-CHA的气体吸附性能对比
模拟低浓度煤层气的双组分的动态气体穿出实验证明该沸石分子筛的甲烷氮气分离性能远超其他分子筛。
图4.纳米级K-CHA与其他分子筛的双组分气体穿出实验
使用晶种迭代法制备的K-CHA沸石分子筛不仅分离甲烷和氮气的性能优良，而且合成过程不添加有机模板剂，绿色环保，易于放大。目前该分子筛已经实现了的百公斤级的合成，并通过包裹成型法克服了纳米沸石难以成型的缺点，制成具有核壳结构的成型分子筛吸附剂能够满足低浓度煤层气富集装置的需求。
图5.纳米级K-CHA的工业化合成产品及应用装置
该项工作由太原理工大学李晋平教授科研团队与德克萨斯大学圣安东尼奥分校陈邦林教授合作，发表在国际顶级期刊Angewandte Chemie上，杨江峰教授和刘佳奇博士为共同第一作者，李立博教授、李晋平教授和陈邦林教授为共同通讯作者。
https://doi.org/10.1002/anie.202116850
