碳分子筛——高纯气体分离的超微孔滤网

超微孔碳凭借其精准可控（<0.6nm）、高度发达的孔隙结构，在电子级气体的分离纯化领域展现出巨大潜力。其精确的孔径可实现基于尺寸排阻的高效分子筛分，对性质相近的关键气体具有优异选择性。作为吸附剂或膜材料，它能高效去除杂质、富集目标组分，满足半导体、新能源等对气体超高纯度和低能耗分离的严苛要求。

分子级筛分精度与可调控的孔道，让超微孔碳材料成为高纯气体分离领域的“精密滤网”，这种“量身定制”的能力，使材料可针对不同气体分子尺寸差异实现“精准狙击”。

微孔碳实现气体分离的两种机制：
1. 分子筛 carbon molecular sieve (CMS)
2. 选择性表面扩散 selective surface flow (SSF)

特性	SSF选择性表面扩散	CMS碳分子筛
孔径范围	较大（1-1.5nm）	较小（<0.6 nm）
分离机制	吸附选择性 + 表面扩散	分子筛分（尺寸排阻）
通量	高（10⁻⁶–10⁻⁷ mol/m²·s·Pa）	低（比SSF低2–4个数量级）
适用体系	含强吸附组分 如C₂H₆/N₂, CO₂/H₂	小分子分离 如O₂/N₂, CO₂/CH₄

气体透过超微孔碳的传输机制，会受到孔径分布以及孔的化学性质影响。当材料的孔径变小，进入微孔区域时，传输机制基本上就变了。一开始是努森扩散，气体分子和孔壁碰撞的频率，比它们相互之间碰撞的频率要高。后来就变成了分子筛分，只有足够小的分子才能穿过去。

气体分子可能会吸附在孔壁上，然后通过表面扩散的方式扩散。这种吸附属于物理吸附，被吸附的溶质活动能力很强，它们沿着孔壁扩散的速度比在间隙里移动的速度快多了。被吸附的物质还会大幅减小膜孔的空隙空间，这就限制了不吸附或者弱吸附分子的进入和通过，进而产生了一种有吸附选择性的传输机制。例如，乙烷（强吸附）渗透率高于氮气（弱吸附），尽管乙烷分子动力学直径（0.40 nm）大于氮气（0.364 nm）。

气体透过CMS碳分子筛，主要靠的是分子筛的机理；而表面扩散机制，一般更符合气体在 SSF 渗透情况。所以说，对于 SSF，它的分离选择性不像 CMS那么高，不过因为它的孔径更大，气体通量会高很多。SFF适用于基于进料组分竞争吸附差异（例如极性不同等特点）的分离，而CMS则更适用于基于分子大小筛分的原理对诸如氦气、甲烷、氮气、二氧化碳等小分子气体的分离。

应用案例
SFF作用：相似气体的分离——氟甲烷CH3F里去除丙烷C3H8

通过超微孔碳材料精准调控的孔径（主峰6.4 Å）与丙烷分子尺寸（4.3–5.1 Å）匹配，利用空间限域效应增强低压吸附；同时基于丙烷极化率（63×10⁻²⁵ cm³）显著高于氟甲烷（26×10⁻²⁵ cm³）的特性，通过范德华力差异实现热力学选择性吸附。该材料在超低浓度条件下展现出优异的丙烷捕获能力与分离选择性，成功应用于固定床系统，可直接产出电子级氟甲烷气体，为相似物系的高效分离提供了新思路。

CMS作用：替代传统分子筛，实现更稳定的碳骨架。

传统硅铝酸盐分子筛在强酸（如HCl、HF）中易发生骨架脱铝或结构崩塌，并可能释放Na⁺等杂质离子。针对于一些电子特气，例如砷烷、磷烷、BF3等，分子筛骨架中的氧原子（尤其是铝氧四面体中的氧）提供孤对电子，成为BF₃的理想攻击目标，这会导致骨架脱铝、氟化、结构崩塌。超微孔碳以碳骨架为主，不含金属阳离子，对HCl、SO₂等酸性气体表现出更高惰性。超微孔碳可以替代13X等分子筛用于一些超纯气体中CO2、SO2、N2等杂质气体的去除。