基于SAPO-56晶种诱导快速无有机模板剂合成富铝对CHA沸石及其对Pb²⁺和Cd²⁺的高效去除

首页 > 行业动态 > 基于SAPO-56晶种诱导快速无有机模板剂合成富铝对CHA沸石及其对Pb²⁺和Cd²⁺的高效去除

吉林大学闫文付教授团队和大连院杜艳泽老师团队联合发表在无机化学领域权威期刊《Inorganic Chemistry》（Inorg. Chem. 2026, DOI: 10.1021/acs.inorgchem.6c01490）上的研究中，针对含Pb²⁺和Cd²⁺重金属工业废水处理中，低硅CHA沸石合成耗时长、需使用昂贵有毒有机模板剂且骨架铝对（Al-pair）含量难以调控的难题，提出了一种引入SAPO-56晶种的快速无模板剂合成策略。该研究在160 ℃下仅用110分钟即可合成出具有超高铝对含量（高达86%）的低硅CHA沸石，全过程无需有机结构导向剂（OSDA）、无氟且免老化，是目前最快的CHA沸石水热合成路线之一。其中，添加20 wt%晶种制备的Na-CHA-20表现出极大的比表面积和极高的吸附性能，在2.5分钟内即可达到吸附平衡，对Pb²⁺和Cd²⁺的最大吸附容量分别高达625 mg/g和198 mg/g，在宽pH范围和竞争离子存在下仍保持>99%的去除率，为重金属废水的高效、绿色处理提供了极具潜力的吸附材料。

研究背景
1. 行业问题：工业废水中Pb²⁺和Cd²⁺等重金属离子对生态和人类健康构成严重威胁。低硅CHA沸石因比表面积大、阳离子交换位点多而成为理想吸附剂，且骨架中相邻的铝对（Al-pair）能显著增强对二价重金属的亲和力。然而，传统CHA沸石合成依赖昂贵且有毒的有机结构导向剂（OSDA），合成周期长，且难以高效、环保地提高骨架Al-pair含量。
2. 现有方案：目前学者多通过调节硅铝比或引入特定模板剂来调控沸石骨架铝分布，或采用离子交换法进行后处理。但这些方法往往导致结晶度下降、合成成本高昂、产生二次污染，且难以在极短时间内实现高Al-pair含量CHA沸石的规模化、绿色合成。
3. 本文创新：提出“SAPO-56晶种诱导”策略，完全摒弃OSDA和氟化物，免去了繁琐的老化步骤。通过精准调控晶种添加量，不仅将合成时间大幅缩短至110分钟，还成功诱导形成了高达86%的富铝对骨架结构，实现了CHA沸石的超快、绿色、可控合成。

实验部分
1. 晶种诱导快速合成实验：
以硅溶胶、偏铝酸钠等为原料，在不添加任何OSDA和氟化物的条件下，引入不同比例（如8 wt%和20 wt%）的SAPO-56晶种，在160 ℃下水热反应110分钟。结果表明，20 wt%晶种（CHA-20）能最快诱导高结晶度CHA沸石形成，且显著提高了骨架中Al-pair的比例（达86%）。
2. 吸附动力学与热力学实验：
将合成的CHA沸石转化为钠型（Na-CHA-20），在100 mg/L的Pb²⁺和Cd²⁺溶液中进行吸附测试。结果显示，Na-CHA-20在极低固液比下，仅需2.5分钟即可达到吸附平衡，去除率>99%；等温吸附实验测得其对Pb²⁺和Cd²⁺的最大吸附容量分别高达625 mg/g和198 mg/g。
3. 环境适应性与选择性实验：
在pH 3-8的宽泛范围内测试吸附性能，并在含有多种竞争阳离子的模拟废水中进行测试。结果表明，Na-CHA-20在复杂水体中仍能保持对Pb²⁺和Cd²⁺的高选择性吸附，且材料结构在多次循环后保持稳定。
实验突破：实现了110分钟超快、无模板剂合成富Al-pair的CHA沸石，打破了传统合成耗时数天的瓶颈；其重金属吸附容量和动力学性能取得重大突破。

分析测试
1. 结构与形貌表征：
XRD证实CHA-20具有纯相CHA拓扑结构，结晶度高；SEM和TEM显示其呈现典型的菱面体形貌，晶粒尺寸约1 μm。固体核磁共振（²⁷Al MAS NMR）结合XRF分析证实，骨架中Al-pair含量高达86%，提供了丰富的负电荷位点。
2. 孔隙与比表面测试：
77 K N₂吸附-脱附等温线显示典型的I型微孔特征。BET比表面积达到约 420 m²/g，微孔孔径集中在 0.38 nm 左右，孔容约为 0.22 cm³/g。相较于传统CHA沸石，CHA-20的孔隙结构更加发达，有利于重金属离子的快速扩散。
3. 吸附性能与稳定性测试：
ICP-OES测试证实吸附后溶液中Pb²⁺和Cd²⁺浓度降至极低。XPS和FT-IR分析揭示了重金属离子与骨架氧及交换位点之间的强配位作用。循环测试5次后，XRD显示晶体结构完整，吸附容量保持率>95%。测试结果揭示：SAPO-56晶种不仅加速了成核，还调控了铝原子的空间分布，赋予了材料超高Al-pair密度和发达的微孔结构，这是其卓越吸附性能的结构基础。

机理分析
1. 晶种诱导结晶机理：
SAPO-56晶种表面提供了丰富的成核位点，降低了CHA骨架形成的活化能。在无OSDA条件下，晶种表面的特定结构导向了硅铝酸盐凝胶的快速重排，促使铝原子倾向于以Al-O-Si-O-Al（Al-pair）的形式分布，从而在极短时间内形成高结晶度骨架。
2. 高效吸附机理：
Na-CHA-20极高的Al-pair密度（86%）在骨架中产生了强烈的局部负电场，对二价重金属离子具有极强的静电吸引和离子交换驱动力。同时，0.38 nm的八元环孔道尺寸与重金属水合离子的动力学直径相匹配，结合高比表面积，使得离子扩散阻力极小，从而实现超快吸附平衡。

总结
1. 本文提出了一种无OSDA、无氟、免老化的SAPO-56晶种诱导策略，在110分钟内超快合成了富Al-pair（86%）的低硅CHA沸石，为沸石的绿色、高效合成提供了新范式。
2. 合成的Na-CHA-20在重金属废水处理中展现出超高吸附容量和超快动力学，在宽pH和竞争离子环境下表现优异，具有极大的工业应用潜力。

文章标题：Rapid OSDA-Free Synthesis of Al-Pair-Rich CHA Zeolite via SAPO-56 Seeding for Highly Efficient Pb2+ and Cd2+ Removal
作者：Pan XuShuang LiuChangchang FanBinyu WangHaopeng SuJunyao PanHaoyang ZhangJiaxin LiJunhui GuoYanze Du*Wenfu Yan*
DOI：10.1021/acs.inorgchem.6c01490
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inorgchem.6c01490

本文为科研用户原创分享，用于学术宣传交流，具体细节请查阅原文。如有错误、侵权，请联系修改删除，未经允许不得复制转载。