关注我们获取更多精彩内容
点击蓝字
一、微孔矿物的新使命：分离工业界的“稀有双子星”
在化工、冶金、核能及航空工业中，氙（Xe）与氪（Kr）是一对极为重要、却难以分开的稀有气体。氙用于医疗麻醉、航天推进与芯片光刻；氪则用于高效照明与绝缘气体。然而，它们在自然和工业过程中往往混合出现——由于两者分子半径仅相差约0.2 Å，化学性质相似，使得分离过程如同在筛选“两颗双胞胎原子”。传统工业方法依赖低温蒸馏（cryogenic distillation），需要在−180°C下长时间操作，不仅耗能惊人，也成本高昂。
2025年12月1日，《Nature Communications》刊发了一项突破性研究：一个由中澳联合团队组成的科研小组，利用天然沸石的微孔结构与离子调控机制，开发出一种全新的氙/氪分离方法——无需极低温，即可实现高效筛分。“我们用天然矿物替代了巨额能耗设备。”——研究负责人 陈东博士（香港城市大学）
二、天然沸石的秘密：从火山岩到分子筛
沸石（Zeolite）是一类由火山灰与碱性水反应形成的结晶铝硅酸盐矿物，其内部结构布满纳米级孔洞。这些孔道像“分子筛”，能精准地筛选不同大小的分子，被广泛用于石化催化、水净化及气体吸附。在这项研究中，团队选用了Linde A 型沸石（LTA 型）作为基础结构。LTA 是一种具有规则立方晶格的天然或合成沸石，其内部通道可被不同的阳离子（如Na⁺、Ag⁺、Ca²⁺）调控，从而改变吸附性能。研究人员发现，当沸石中的银离子（Ag⁺）被精确置换进入晶体孔道时，它会与氙分子产生强烈的诱导偶极相互作用，使氙原子被“锁入”孔腔，而体积略小的氪则被排斥在外。这是一种被称为“阳离子调控门控机制”（Cation-Regulated Gate Effect）的新现象：气体分离不再依赖低温，而依靠沸石内部“活化的离子大门”来选择性吸附。
三、原子级成像：澳大利亚同步加速器揭示微观机理
该项目的结构分析由澳大利亚核科学与技术组织（ANSTO）提供支持。研究团队利用澳大利亚同步加速器（Australian Synchrotron）粉末衍射光束线，在不同温度下捕捉了Ag-LTA 沸石的原子分布图像。同步辐射X射线的高精度数据被用于构建三维原子模型，首次揭示了：银离子（Ag⁺）在沸石骨架中的精确位置；氙与氪在孔道中的相互作用轨迹；离子调控导致的“反尺寸效应”筛分机制（即较大的氙反而更易被吸附）。
“理解材料在原子尺度上的运作，是优化性能的关键。”——顾秦芬博士（ANSTO 光束线首席科学家）
四、实验结果：1600倍效率差与可循环利用
实验数据显示，Ag-LTA 沸石对氙的捕获能力比氪高出 1600 倍。更重要的是，经过多轮吸附-解吸循环，材料性能几乎无衰减，展现出极高的可再生性与热稳定性。这一成果意味着，在未来的工业生产中，可以以更低的能耗、更低的成本实现稀有气体分离。从芯片制造的气体纯化，到核废气处理中的放射性氙提取，乃至航天推进燃料的提纯，都有潜在应用空间。
五、全球合作：中澳科研联盟的典范
本研究由香港城市大学陈东团队牵头，联合浙江师范大学、福建师范大学、清华大学、同济大学共同完成，并与澳大利亚核科学与技术组织（ANSTO）深度合作。
论文题为：“Linde A型沸石中阳离子调控门控效应实现尺寸反比分子筛分氙/氪分离”
（Chen, D., Zhang, T., Yin, X. et al. Nature Communications, 16, 9849 (2025). DOI:10.1038/s41467-025-09849-9）
六、结语：从火山灰到未来工厂
这项成果不仅是材料科学的一次突破，也象征着天然矿物在现代工业中的再生价值。从吸波防护（UConn团队）到气体分离（CityU团队），天然沸石正逐渐从地质材料转变为智能功能材料，成为能源、化工与环境技术的交汇点。当自然与科技再度结合，一块平凡的火山岩，或许正悄然改变人类制造业的未来。
参考资料与来源：
Chen, D. et al. “Cation-regulated gating effect for inverse-size molecular sieving of Xe/Kr separation in Linde A-type zeolites.” Nature Communications 16, 9849 (2025).
ANSTO Science News, “Researchers find a better way to separate two important gases used in industry.” Published Dec. 1, 2025.
Australian Synchrotron, Powder Diffraction Beamline Technical Report, 2025.
University City of Hong Kong – Zeolite Research Group, Project Briefing, 2025.
攀
宝
扫码关注我们吧