分子筛：精确到小数点后九位，我可没跟你开玩笑！

出品：科普中国

作者：Denovo

监制：中国科普博览

如果颗粒大小不同的豆子混合到一起，如何快速地将它们分离呢？

使用筛孔不同的几个筛子来分离不同大小的豆子可能是一个不错的方法。

那么，如果筛孔的尺寸不断减小到纳米尺度，是不是就可以筛分直径不同的分子了？这种可以筛分分子的工具就是分子筛。

分子筛示意图

（图片来源：作者自制）

分子筛的组成

分子筛是有规则孔道结构的结晶硅铝酸盐，主要由硅（Si）、铝（Al）、氧(O)组成。由Si和Al为中心形成的四面体结构是分子筛最基本的结构单元，分子筛中还有阳离子平衡骨架电荷，例如钠离子、钾离子、钙离子、镁离子等。随着分子筛合成技术的发展，研究者们发现分子筛中的Si和Al还可以被其他原子同晶取代，将钛、镓、铁等原子引入分子筛中得到杂原子分子筛。

Si原子为中心形成的四面体结构

（图片来源：维基百科）

分子筛丰富的孔道结构决定了其具有大表面积的特点。1克分子筛平铺开的面积可达500-1000平方米。我们国家人均住房面积为40.8平方米，也就是说，1克分子筛的表面积相当于12个人的住房总面积。对于尺寸在纳米级别的分子来说，居住起来更是“豪宅”般的体验，可以容纳、吸附大量的分子。

分子筛的结构

国际分子筛协会数据库中收录了245种分子筛，它们由三个大写的英文字母命名，每个名字对应一种独特的结构，这就是分子筛界的“摩斯密码”。

分子筛的结构简称

（图片来源：国际分子筛协会）

下图中的分子筛结构应该如何描述呢？准确地说这是方钠石笼按照金刚石中碳排列方式通过双六元环连接形成二十六面体的超级笼，但套用分子筛界的“摩斯密码”，FAU三个字母就可以简洁准确地代表上述复杂的结构。

（图片来源：国际分子筛协会）

分子筛具有规则的孔结构和固定的孔尺寸，基于尺寸可以选择性地筛分分子。例如FAU分子筛孔口直径是0.74 纳米，那么能进入FAU分子筛中最大的分子尺寸就是0.74纳米。分子筛独特的结构特点决定了其在吸附分离、催化反应等领域能够得到广泛的应用。

分子筛的应用

分子筛被广泛用作石油化工和煤化工反应中的催化剂。分子筛可以作为催化剂载体，负载贵金属后参与催化反应；经过氢离子交换后的分子筛自身可作为固体酸催化剂催化许多酸催化反应，例如异构化反应、烷基化反应和裂化反应。催化反应主要在分子筛的孔内进行,只有大小和形状与分子筛的孔道相匹配的分子才能从分子筛孔道内进入或出去，从而成为反应物或产物。

对二甲苯是生产聚酯纤维和树脂、涂料、染料及农药的原料，在甲苯反应生成对二甲苯的反应中，伴随产生的还有邻二甲苯、间二甲苯，但这三种产物沸点只差0.75℃，很难用传统的方式分离。研究者发现ZSM-5分子筛的孔道尺寸为0.52~0.58 纳米，只允许对二甲苯自由通过，而邻二甲苯和间二甲苯则会被困在分子筛孔道中，它们只有转化为对二甲苯才能顺利通关。

采用ZSM-5分子筛作为催化剂，对二甲苯的选择性高达99%，这就是择形催化的基本原理。分子筛在提高反应选择性、降低分离能耗等方面有着不可替代的作用。

（图片来源：作者自制）

分子筛具有准确地吸附分离特定气体的能力。采用分子筛可以从低品位的天然气中去除其中的水、二氧化碳和二氧化硫，从而提高天然气的纯度。基于分子筛的制氧机广泛用于生产医疗级氧气，众所周知，空气中主要成分是氮气和氧气，这种制氧机利用分子筛的吸附分离能力，可以吸附空气中的氮气，从空气中产生纯净氧气以供使用。分子筛还可以用于室内空气净化，空气中含量很低的有害气体也会被捕集、脱除。

分子筛在农业上也得到了广泛应用，例如研究者们发明了一种绿色果蔬保鲜袋来储存农产品，该保鲜袋内采用分子筛作为活性成分，可以吸附乙烯。我们知道果实在成熟期会产生乙烯，从而诱导果实成熟。绿色果蔬保鲜袋内的分子筛可以吸附乙烯，降低保鲜袋内乙烯浓度，从而减缓农产品的成熟过程并延长储存在袋子中的产品的保质期。

（图片来源：作者自制）

分子筛在生活中常作为水质净化和软化的离子交换床。它在洗衣粉领域也有其独到之处。在洗衣粉中加入分子筛用作水的软化剂，硬水中的钙离子和镁离子与分子筛中的钠离子发生离子交换，可以去除原本硬水中的钙离子和镁离子，将分子筛中的钠离子释放到硬水中，从而达到软化水质、提高洗衣粉性能的效果。同样的，该功能也可用于净水器中提升水质。

这就是世界上最小的筛子——分子筛，在工业生产、医疗和生活等诸多领域都有广泛的用途，小小的身躯却有巨大能量。

参考文献：

[1]Minachev, K. M.; Isakov, Y. I., Catalytic Properties of Zeolites—A General Review. In Molecular Sieves, AMERICAN CHEMICAL SOCIETY: 1973; Vol. 121, pp 451-460.

[2]Dubbeldam, D.; Calero, S.; Maesen, T. L. M.; Smit, B., Understanding the window effect in zeolite catalysis [J]. Angewandte Chemie-International Edition, 2003, 42(31): 3624-3626.

[3]Vlugt, T. J. H.; Schenk, M., Influence of Framework Flexibility on the Adsorption Properties of Hydrocarbons in the Zeolite Silicalite [J]. The Journal of Physical Chemistry B, 2002, 106(49): 12757-12763.