氨（NH3）是生产化肥等化学品的重要原料，工业合成氨主要通过Haber-Bosch工艺，并采用压缩冷凝法进行回收，此过程中伴随着不完全冷凝和氨逃逸等问题，因此开发替代性的高浓度氨分离方法（如吸附分离法）是实现氨低碳生产的关键步骤。另一方面，氨的不当排放和泄露将对环境和人类健康产生严重危害，美国NIOSH协会将环境中氨的安全阈值设在300 ppm，针对密闭空间氨泄露等场景，新型高效的低浓度氨捕获材料开发成为研究热点。
多孔吸附剂在上述高浓度氨分离和低浓度氨捕获的场景中发挥了关键性作用，但多数材料仍存在一定的局限性。卤化物吸附剂受限于缓慢的吸附动力学和体积膨胀问题；而以金属有机框架材料为代表的多孔材料能够实现极高的氨吸附容量（> 20 mmol/g），但框架稳定性和制备成本是其能否实现大规模工业应用的关键因素。分子筛类材料具有成本低、稳定性高等优势，常规硅酸铝沸石凭借Brønsted酸位点或过渡金属中心能够实现氨的稳定吸附，但吸附容量通常较低。磷酸铝（AlPO）分子筛具有更丰富的Lewis酸位点，是一种有前景的氨吸附剂，但其吸附行为与机制尚未明晰。
有鉴于此，南开大学李兰冬教授团队利用磷酸铝（AlPO）分子筛实现了不同应用场景下的按需氨捕获和分离，同时基于组合谱学技术和密度泛函理论计算明确揭示了AlPO分子筛中的氨吸附行为和机制。相关论文近日在线发表于J. Am. Chem. Soc.，南开大学岳斌博士和博士研究生王健为共同第一作者，南开大学刘珊珊博士和李兰冬教授为共同通讯作者。
研究人员首先制备了含笼结构的AlPO-18、AlPO-34和AlPO-17分子筛以及含链结构的AlPO-11和AlPO-5分子筛，并对其静态和动态吸附性能（图1）、程序升温脱附以及循环稳定性进行了全面的评价与分析，由此筛选出两种可实现高效按需捕获应用的AlPO分子筛：AlPO-18分子筛在环境条件下对于200 ppm的痕量氨表现出极高的动态吸附量（3.36 mmol/g），可用作捕获痕量氨的一次性吸附剂（后续可用作肥料）；而AlPO-11在50,000 ppm的较高氨浓度下（针对合成氨工业中的氨回收气氛）显示出5.73 mmol/g（5.04 mmol/g，50% RH）的理想吸附量，且在423 K的低温吹扫的条件下，其吸附量在至少十次循环中无明显下降，有望用作工业合成氨的氨回收吸附剂。Aspen模拟表明，使用AlPO-11进行氨回收的吸附分离过程的能耗仅为33 kJ/molNH3，相比目前合成氨工业中使用的压缩过程能耗降低~51%。
研究人员通过原位红外光谱、准原位X射线光电子能谱和魔角旋转核磁共振波谱技术（图2）与密度泛函理论计算（图3）相结合，清晰地揭示了AlPO分子筛中路易斯Al中心位点的性质和氨键合行为：AlPO-18分子筛倾向于首先吸附两分子氨形成非常稳定的六配位2NH3@AlVI物种（> 40%），随后形成少量五配位1NH3@AlV物种（~15%），这两步导致了晶格结构的显著变化，因此可用作捕获痕量氨的一次性吸附剂；而在AlPO-11分子筛中，相对亚稳态的五六配位1,2NH3@AlV,VI物种同步形成，吸附过程中AlV（25%）或AlVI（25%）的形成没有明显的选择性（即吸附一分子或两分子氨的吸附能接近，图3）。此项研究明确了AlPO分子筛中Lewis位点与氨分子之间的主客体相互作用，有望推动具有开放骨架结构的磷酸铝分子筛材料在氨吸附等分离过程中的应用。
原文链接：
On-demand ammonia capture and separation with open aluminophosphate frameworks
Bin Yue†, Jian Wang†,Qiang Bian, Bin Qin, Shanshan Liu*, Yuchao Chai, Guangjun Wu, Landong Li*
J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 33264-33272, DOI: 10.1021/jacs.5c11955