拟荷叶层设计增强13X沸石的表面疏水性和CO2吸附性能

doi:10.7503/cjcu20260004

高等学校化学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (8): 20260004.doi: 10.7503/cjcu20260004

拟荷叶层设计增强13X沸石的表面疏水性和CO₂吸附性能

李室庆¹, 王卓², 张斌¹, 曾兵芳³, 阮祥辉¹(), 吕梦岚¹()

^1.贵州大学化学与化工学院，贵州省能量转换与存储技术工程研究中心, 贵阳 550025
^2.贵州理工学院资源与环境工程学院, 贵阳 550003
^3.贵州工程应用技术学院化学工程学院, 毕节 551700

收稿日期:2026-01-01 出版日期:2026-08-10 发布日期:2026-05-14
通讯作者: 阮祥辉,吕梦岚 E-mail:xhruan@gzu.edu.cn;mllv@gzu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(31960211);国家自然科学基金(81960651);贵州省高层次创新型人才基金(批准号: QKHPTRC-GCC[2023]-024), 贵州省自然科学基金(批准号: QKHPTRC-CXTD[2023]005)、贵州大学引进人才科研项目(批准号: [2023]33)、贵州大学基础研究项目(批准号: [2023]18)和贵州省能源智能开发与高效利用实验室开放基金(GEL-KY-2025-012)

Pseudo Lotus Leaf Layered Design to Enhance the Surface Hydrophobicity and CO₂ Adsorption Capability of 13X Molecular Sieve

LI Shiqing¹, WANG Zhuo², ZHANG Bin¹, ZENG Bingfang³, RUAN Xianghui¹(), LYU Menglan¹()

^1.Engineering Research Center for Energy Conversion and Storage Technology of Guizhou，School of Chemistry and Chemical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China
^2.School of Resources and Environmental Engineering，Guizhou Institute of Technology，Guiyang 550003，China
^3.College of Chemical Engineering，Guizhou University of Engineering Science，Bijie 551700，China

Received:2026-01-01 Online:2026-08-10 Published:2026-05-14
Contact: RUAN Xianghui, LYU Menglan E-mail:xhruan@gzu.edu.cn;mllv@gzu.edu.cn
Supported by:
the Open Fund of Guizhou Provincial Laboratory of Intelligent Development and Efficient Utilization of Energy, China(GEL-KY-2025-012);the National Natural Science Foundation of China(52373175);the High-level Innovative Talents Foundation of Guizhou Province, China(No.QKHPTRC-GCC[2023]-024), the Natural Science Foundation of Guizhou Province, China(No.QKHPTRC-CXTD[2023]005), the Guizhou University Introduces Talent Scientific Research Project, China([2023]33);the Basic Research Program of Guizhou University, China([2023]18)

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摘要/Abstract

摘要：

通过拟荷叶层结构设计, 在13X分子筛表面构建聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯(PS-PMMA)疏水层, 制备了PS-PMMA/13X分子筛. 通过集成有机纳米表面结构拟荷叶层的方法, PS-PMMA与13X分子筛复合过程的条件温和, 不破坏分子筛晶体结构, 所得PS-PMMA/13X分子筛可耐370 ℃高温, 水接触角提升至127.6°. 该方法赋予了13X分子筛卓越的疏水性, 同时保持了其固有的吸附性能. 静态吸附实验结果表明, PS-PMMA_0.05/13X分子筛对CO₂吸附遵循Langmuir模型并表现为物理吸附; 经6 h浸水-干燥处理后在10次循环中仍保持超过92%的吸附容量. 此外, 在15%相对湿度和15%(体积分数)CO₂的模拟湿烟气条件下, 其CO₂吸附容量达0.045 g/g, 比未改性13X分子筛提高73%, 有效抑制了水汽的竞争吸附. PS-PMMA_0.05/13X分子筛在高温、低浓度及湿润环境中均表现出优异的CO₂吸附性能, 且制备方法简单, 具有良好的工况碳捕集应用潜力.

关键词: 13X分子筛, 表面改性, 二氧化碳捕集

Abstract:

A polystyrene-poly（methyl methacrylate）（PS-PMMA） hydrophobic layer was constructed on the surface of 13X molecular sieve and PS-PMMA/13X molecular sieve was prepared via a biomimetic lotus-leaf-like structural design. By integrating an organic nanoscale surface architecture， the fabrication of PS-PMMA/13X molecular sieve was achieved under mild conditions without disrupting the crystalline framework of the 13X molecular sieve， while maintaining thermal stability up to 370 ℃. The water contact angle increased to 127.6°， indicating significantly enhanced hydrophobicity. The modified 13X molecular sieve exhibited excellent water resistance while preserving its intrinsic adsorption properties. Static adsorption results revealed that CO₂ adsorption on PS-PMMA_0.05/13X follows the Langmuir model and is dominated by physisorption. After 6 h of water immersion followed by drying， the material retained over 92% of its adsorption capacity after ten cycles. Furthermore， under simulated humid flue gas conditions［15% relative humity（RH） and 15%（volume fraction） CO₂］， the CO₂ adsorption capacity reached 0.045 g/g， representing a 73% increase compared to pristine 13X molecular sieve， effectively suppressing competitive adsorption from water vapor. The PS-PMMA_0.05/13X molecular sieve demonstrates excellent CO₂ adsorption performance under high temperature， low concentration， and humid conditions. With a simple preparation method and robust performance， it shows strong potential for practical carbon capture applications.

Key words: 13X molecular sieve, Surface modification, Carbon dioxide capture

中图分类号:

O647

TrendMD:

李室庆, 王卓, 张斌, 曾兵芳, 阮祥辉, 吕梦岚. 拟荷叶层设计增强13X沸石的表面疏水性和CO₂吸附性能. 高等学校化学学报, 2026, 47(8): 20260004.

LI Shiqing, WANG Zhuo, ZHANG Bin, ZENG Bingfang, RUAN Xianghui, LYU Menglan. Pseudo Lotus Leaf Layered Design to Enhance the Surface Hydrophobicity and CO₂ Adsorption Capability of 13X Molecular Sieve. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(8): 20260004.

图/表 10

Fig.1 FTIR spectra(A) and XRD patterns(B) of 13X molecular sieve and PS⁃PMMA0.05/13X molecular sieve

Fig.2 Water contact angles(A1, B1) and corresponding side⁃view(A2, B2) and top⁃view(A3, B3) optical images of 13X molecular sieves(A1—A3) and PS⁃PMMA0.05/13X molecular sieves(B1—B3)For better visualization， the water droplets were dyed with blue ink.

Fig.3 N2 adsorption⁃desorption isotherms(A), pore size distribution curves(B, C), TG(above the dotted line boundary) and DTG(below the dotted line boundary) curves(D), and EDS elemental mapping images(E, F) of 13X and PS⁃PMMA0.05/13X molecular sieves（B， E） 13X molecular sieve；（C， F） PS-PMMA0.05/13X molecular sieve.

Fig.4 SEM images of 13X molecular sieve(A), PS⁃PMMA0.01/13X molecular sieve(B), PS⁃PMMA0.05/13X molecular sieve(C), and PS⁃PMMA0.10/13X molecular sieve(D)The following figure presents a magnified view of the corresponding selected area.

Fig.5 CO2 static adsorption isotherms of 13X molecular sieve at 25 °C and PS⁃PMMA0.05/13X molecular sieve at 25 °C and 60 °C(A), and ten⁃cycle CO2 adsorption performance of PS⁃PMMA0.05/13X molecular sieve at 60 °C after water immersion treatment(B)

Fig.6 CO2 adsorption capacities of 13X molecular sieve(A) and PS⁃PMMA0.05/13X molecular sieve(B) at 60 °C under different volume fraction of CO2

Fig.7 CO2 adsorption isotherms of PS⁃PMMA0.05/13X molecular sieve at different temperatures with model fitting(A) and corresponding isosteric heat of adsorption(B)

Table 1 Langmuir and Freundlich adsorption isotherm fitting parameters of PS-PMMA0.05/13X molecular sieve

Temperatur/℃	Langmuir adsorption model			Freundlich adsorption model
Temperatur/℃	q_m	k	R²	k	1/n	R²
40	0.195	0.091	0.988	0.048	0.297	0.967
60	0.198	0.039	0.998	0.023	0.431	0.981
80	0.171	0.019	0.997	0.009	0.559	0.995
100	0.128	0.017	0.968	0.005	0.595	0.943

Fig.8 CO2 adsorption behavior of 13X molecular sieve and PS⁃PMMA/13X molecular sieve prepared with different PS⁃PMMA concentration(1%, 5%, 10%, and 15%, mass fracion) toward 15%(volume fraction) CO2 at 50 ℃ and 15% RH(A), CO2 adsorption performance of PS⁃PMMA0.05/13X molecular sieve over a CO2 concentration range of 2%—10% at 50 °C and 15% RH(B)

Table 2 Comparison of CO2 adsorption performance of hydrophobically modified molecular sieve under different conditions

Molecular sieve	Hydrophobic modification	Adsorption conditions			Adsorption capacity/（g∙g^-1）	Ref.
Molecular sieve	Hydrophobic modification	Temperature/℃	CO₂ volume fraction（%）	RH（%）	Adsorption capacity/（g∙g^-1）	Ref.
MOR	Dealumination	25	9	75	0.0298	［45］
NaX	Silanization	50	14	5	0.0150	［46］
NaX	Polyacrylate hydrophobic layer	40	10	11	0.0563	［47］
β	Benzylamine functionalization	40	10.5	5	0.0382	［48］
13X	Carbon coating	25	13.6	4.5	0.0460	［49］
A Type	Imidazolate⁃based hydrophobic layer	25	15	90	0.1174	［50］
ZSM⁃5	All⁃silica MFI hydrophobic layer	40	15	100	0.0132	［51］
PS⁃PMMA_0.05/13X	PS⁃PMMA hydrophobic particle layer	50	15	15	0.0440	This work

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