南京工业大学化工学院，材料化学工程全国重点实验室，江苏 南京 211816
亓士超, 刘晓勤, 孙林兵. 智能吸附分离：化工分离新路径[J]. 化工进展, 2026, 45(5): 3186-3190.
>>DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2026-0195
化工分离是化工行业实现“双碳”目标的关键环节之一，其中吸附分离已广泛应用于化工分离各领域。传统变温吸附（TSA）、变压吸附（PSA）工艺仍然依赖化石能源，其吸附剂研究侧重吸附性能，而吸脱附的性能协同尚待提升。近年发展的以光响应吸附为代表的智能吸附分离技术成为化工分离的潜在创新路径。本文简要阐述吸附分离技术的应用现状，分析目前光响应吸附分离的两类体系——形变与非形变光响应吸附分离的构建原理、调控机制及性能差异。前者依托光响应形变分子的构型转变调控孔道与吸附位点特性，后者通过特定吸附剂的光诱导激发态实现吸附性能调变，二者均在能源利用模式与吸脱附原理上实现了化工分离的创新。最后围绕光响应吸附剂构筑优化及规模化应用等方向展望发展路径，为化工分离领域的低碳化、智能化升级提供技术支撑与参考。
化工分离由于其较高的能耗，是“双碳”目标下化工行业低碳转型的关键攻坚领域之一。吸附分离凭借高选择性、操作灵活、设备投资低等优势，已深度渗透石油化工、能源转化、环保治理、精细化工等关键产业，成为支撑化工绿色发展的重要技术。目前传统变压吸附（PSA）、变温吸附（TSA）工艺仍然依赖化石能源，传统吸附剂的研究侧重材料的吸附性能，而其吸脱附性能的协同尚待提升。近年出现的以光响应吸附分离为代表的智能吸附分离技术，通过光致调控机制实现吸脱附可逆切换，成为吸附分离摆脱化石能源依赖的潜在创新路径。本文简要论述吸附分离的应用现状，阐述光响应吸附分离的构建方法及其应用潜力，为构建高效低碳、可持续的化工分离工艺提供新思路。
化工分离能耗占据全球总能耗的10%~15%，其中以精馏分离的能耗最高。与其他化工分离工艺相比，吸附分离具有节能显著、选择性高、设备投资少、无二次污染等优势，已深入石油化工、能源转化、环保治理、精细化工、生物医药等关键产业，成为化工行业升级与绿色发展的核心技术支撑。自20世纪60年代人工合成沸石的成功研发及PSA、TSA等技术的工业化落地，吸附分离技术实现了从传统辅助净化到主流程核心分离的跨越式发展，其应用场景与产业化规模持续增大。在气体分离领域，吸附分离主导着空气制氧（纯度可达99.5%以上，广泛应用于冶金、医疗等领域）、氢气提纯（纯度≥99.99%，支撑燃料电池、精细化工生产）、天然气净化（高效分离CH4/CO2、CH4/H2S等组分，保障天然气输送安全与燃烧效率）等关键场景。其中，沸石分子筛、活性炭、碳分子筛及金属有机框架材料（MOFs）的组合应用，使CO2捕集纯度稳定在99%以上，成为碳捕集封存（CCS）的重要技术单元。在液体分离领域，吸附剂的精准设计推动了分离效率与选择性的双重提升，例如活性炭纤维因其高比表面积（通常>1500m2/g），可用于燃料油深度脱硫（硫含量可降至10μg/g以下）、有机溶剂回收（回收率>95%）。大孔树脂在抗生素提取、染料废水处理中展现出优异的性能。一价铜基吸附剂通过π-络合作用实现烯烃/烷烃的高效分离，有效解决了传统精馏工艺能耗高，对烯烃/烷烃分离难度大的问题。当前主流吸附分离技术基于吸附剂的物理吸附（范德华力、氢键等）或化学吸附（化学键形成与断裂），衍生出PSA、TSA、变浓度吸附（CSA）等工艺，核心依赖沸石分子筛、活性炭、MOFs、离子交换树脂等材料的选择性吸附，不同工艺针对不同分离场景形成互补应用。其中，PSA技术通过加压吸附-减压（或抽真空）脱附的循环操作进行调控，适用于气体混合物中高选择性组分的提纯，具有操作灵活、处理量大的优势；TSA技术利用温度变化调控吸附剂与目标组分的相互作用强度，通过升温脱附实现吸附剂再生，适用于高沸点组分、VOCs及微量杂质的分离与回收；CSA技术通过改变进料组分浓度调控吸附平衡，多用于低浓度组分的富集与分离，场景针对性较强。由于优先考虑实际应用中对目标组分的吸附分离效果，传统吸附剂研究侧重于吸附性能提升，而对于如何兼顾脱附性能，则是长期以来的研究瓶颈，吸附剂再生成为吸附分离工艺能耗的主要环节。TSA工艺脱附温度通常在120~200℃，部分高温再生场景甚至需达到300℃以上，占整个吸附分离工艺总能耗的60%~70%；PSA工艺虽无需高温条件，但频繁地加压（0.5~10MPa）与减压（0.01~0.1MPa）循环操作，同样耗能较大。以工业烟气CO2捕集为例，传统TSA工艺能耗可达8~12kWh/t CO2，PSA工艺能耗为4~6kWh/t CO2，进行低碳化转型的潜力仍然巨大。
近年来，以光响应吸附为代表的智能吸附分离成为研究热点，其优势在于通过光调控吸脱附过程，无需依赖变温变压，从源头具备摆脱化石能源依赖的可能。其核心原理是通过光响应分子或基团的光致变化（结构形变或电子态调控），调变吸附位状态或构造新吸附位，动态调控吸附剂与目标组分的相互作用（空间位阻、静电作用、π-络合作用等），实现吸附-脱附的可逆切换，吸附和脱附过程仅消耗光能，且无二次污染物产生。目前，通过对光响应基元的结构设计与吸附材料的复合改性，已构建出基于分子形变与非分子形变两类光响应吸附分离技术体系。
形变光响应分子的核心特征是在特定波长光照下发生显著几何结构变化，典型结构如顺反异构、二聚化、环化异构等，通过这种结构转变引发吸附剂孔道尺寸、孔径分布及活性位点暴露程度的调控，进而实现对目标组分吸附脱附过程的高效切换，兼顾分离效率与再生性能。这类形变光响应分子的结构可逆性强，且结构变化幅度可通过分子修饰调控，适配不同尺寸目标组分的分离需求，是光响应吸附材料的主要研究方向。目前主要应用于光响应吸附剂的光形变分子包括偶氮苯类、二芳基乙烯（DTE）类、香豆素衍生物及螺吡喃类，各类分子凭借其独特的结构与响应机制，与不同多孔主体材料以特定方式结合，形成差异化调控效果[图1(a)]。偶氮苯类是应用最广泛的类型，通过N==N双键实现顺-反可逆异构，构型改变可调变吸附位点附近的空间位阻，且经特定基团修饰可调节响应波长，常与MOFs、介孔硅结合，采用客体封装、侧基连接、骨架整合等方式构建吸附剂[图1(b)]。偶氮苯类分子封装于柔性MOFs中可驱动孔道舒展，调变吸附容量；接枝于有机胺修饰介孔硅或MOFs表面则能掩蔽/暴露CO2活性位点，实现CO2选择性吸附，其光响应调控吸脱附的核心机制依托主客体相互作用与空间位阻作用[图1(c)]。DTE类通过紫外-可见光触发开环-闭环异构，几何形变小且光稳定性优异，多以骨架整合方式与MOFs结合，闭环异构化引发层间距与孔容缩减，可通过增强主客体电子相互作用提升对吸附质分子的亲和力。
香豆素衍生物依靠光诱导二聚-解聚反应切换结构[图1(d)]，研究表明香豆素二聚体可阻塞MCM-41、SBA-15等介孔硅孔道，解聚后恢复通道畅通，也可通过基团嫁接方式修饰于介孔硅表面，借助空间位阻机制实现小分子选择性脱附。螺吡喃类在光诱导下C—O螺键断裂，从无色螺环型转变为有色两性离子型，伴随显著极性突变，多修饰于多孔载体表面，通过极性变化调控主客体作用强度，还可直观判断吸附状态。除上述主体材料外，共价有机框架材料（COFs）因稳定性较好，也常作为光形变分子骨架整合的载体，部分研究体系还引入Ag纳米颗粒等光热材料，形成光热协同调控机制，辅助光形变分子驱动脱附，提升吸附剂再生效率。此类光响应吸附剂凭借光照调控、结构可塑、选择性与吸脱附性能兼具的显著优势，展现出良好的应用潜力，同时在吸附容量调控幅度、形变分子与主体材料的适配性方面仍有提升空间。在此基础上，非形变光响应分子依托电子层面调控的独特机制，可针对性提升相关性能，为光响应吸附剂的多元化发展开辟了新路径。
近年报道中出现的基于非形变光响应分子的吸附剂，无需依赖光诱导分子构型变化，而是通过光致电荷转移、电子态跃迁等电子层面的调控，改变吸附活性位点的电子性质（如分子表面静电势、电荷密度、前线分子轨道能级），进而调节吸附剂与目标组分之间的相互作用强度，实现光响应吸脱附调控。
其核心机制是通过大环共轭结构（如金属卟啉）的光敏特性，构筑能够产生稳定激发态的活性位，达到分子稳定吸附的时间尺度，从而通过光诱导产生激发态吸附位。在相关研究中，吸附剂的激发光谱表征和密度泛函理论、分子动力学模拟计算往往为机制阐释提供了关键理论支撑。卟啉及其金属衍生物作为典型大环共轭单元，依托共轭体系的电子离域特性具备优异光敏性，光照下可高效形成激发态[图2(a)]。通过设计特定的金属卟啉及其组织形态（例如形成MOFs）、选择合适的同样具有离域共轭电子结构的碳基材料进行复合，可显著提升激发态的稳定性和主客体材料间的电荷转移效率，实现相对稳定的激发态吸附位。相关研究最先在锆基金属卟啉MOFs上实现，PCN系列MOFs与不同价态的金属阳离子（例如Ag+、Cu2+、Fe3+）络合后对CO2吸附展现出光响应差异性，其中Ag+的引入可显著增强卟啉的分子表面负电势，并提升其周围空间的负电势增长梯度，从而对CO2的吸附表现出最明显的光响应增强。二价金属阳离子的引入对CO2吸附的光响应增强弱于Ag+，但后续研究表明，富勒烯C60与金属卟啉MOFs的复合会通过主客体的激发电荷转移提升金属卟啉的激发态吸附活性，同时络合金属的存在起到了重要的激发电荷转移通道的作用[图2(b)]。
金属卟啉材料的构筑形态和碳基材料的种类决定了非形变光响应吸附剂的适用体系，且光响应的深层机制也因材料构筑的不同而体现出一定差异。金属卟啉纳米片与石墨烯的复合材料展现出对CO/N2的光响应吸附分离性，二者的强相互作用放大了铜卟啉纳米片的激发影响，石墨烯上的共轭电子被协同激发，共同参与了CO的吸附。此外，金属卟啉与其他碳基材料的结合可基于碳基材料本身的吸附分离特性进行光响应增强。例如，金属卟啉与多孔碳的复合，可赋予多孔碳光响应CO2/N2分离特性，使多孔碳对于CO2的吸附捕集性能通过光诱导而进一步增强[图2(c)]。
基于非形变分子的光响应吸附剂通过光诱导激发态可直接实现吸附位点的活性调变，光响应效率高、电子调控精准，能适配CO、CO2、烯烃、烷烃等多体系的吸附分离。对于此类吸附剂，高效的大环共轭类光敏剂仍有拓展，沸石分子筛等非碳基主体材料的应用开发，仍需实验探索与理论计算的协同支撑，相关研究与技术仍有进一步深化和完善的空间。
吸附分离的技术升级是化工分离绿色转型的重要路径之一，以光响应吸附为代表的智能吸附分离技术基于光诱导调控，从源头具备低碳转型的可能，已发展出形变与非形变两类技术体系。前者依托光响应分子结构转变调控吸附剂孔道与活性位点，研究深入，技术成熟度较高；后者通过大环共轭结构引发激发态进而实现吸附剂性能调控，是构筑智能吸附剂的新思路。当前智能吸附分离技术正稳步迈向实际应用，未来研究中，形变体系需优化光响应分子与主体材料界面相容性，强化结构可逆性与循环稳定性；非形变体系需拓展光敏剂种类，探索非碳基载体适配性。同时，应重点攻关智能吸附剂成型技术，实现规模化制备，开发智能吸附工艺。依托理论模拟与实验表征深度耦合，研发多组分通用型材料，为破解化工分离高能耗难题、构建低碳可持续分离工艺体系提供核心技术支撑，助力化工行业“双碳”目标的实现。
第一作者：亓士超，博士，副教授，研究方向为多孔功能材料与吸附分离。
通讯作者：孙林兵，博士，教授，博士生导师，研究方向为多孔功能材料与吸附分离。
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