MOF | 西安交通大学马和平AFM：超微孔 Ni‑MOF 实现 Ar/Kr/Xe 制备色谱分离，面向核尾气稀有气体处理
发布日期：2026-10-15 来源：贝士德仪器
一句话总结
西安交通大学马和平教授研究超微孔镍基 MOF 材料 JUC‑86，该材料对氙具备优先吸附能力，可实现 Xe/Kr 动态穿透分离，能够从稀释混合气中捕获痕量氙，完成 Ar/Kr/Xe 三元组分的气相制备色谱分离，理论分析表明该材料具备一定 γ 辐射耐受能力，适用于液态氟钍反应堆尾气稀有气体处理场景。相关工作发表在Advanced Functional Materials。
拟解决的关键科学问题
液态氟钍反应堆（LFTR）运行过程会持续释放含放射性 ¹³⁵Xe、⁸⁵Kr 的尾气，¹³⁵Xe 是中子毒物，⁸⁵Kr 带来长期放射危害，同时氙、氪同位素具备重要工程应用价值。传统工艺依靠活性炭延迟床，依靠放射性核素自然衰变处理尾气，存在吸附容量有限、选择性差、设备体积庞大的缺点。现有吸附剂大多只开展静态吸附评价，面向反应堆尾气还需要评估动态穿透、痕量气体捕获、色谱分离性能。开发同时兼顾选择性、动态分离能力与辐照耐受性的多孔吸附材料，对先进核尾气管理具有重要现实意义。
实验方法
本工作合成 JUC‑86 镍基 MOF，借助 PXRD、热重、FT‑IR、SEM‑EDS 完成材料物化表征；采用多探针气体吸附测试孔隙参数，采集 Xe、Kr、Ar 单组分吸附等温线，通过 IAST 计算吸附选择性并求取等量吸附热；开展固定床动态穿透实验，评价二元、三元混合气包括低浓度模拟反应堆尾气的分离性能；搭建制备色谱装置探究温度、进样体积、载气流速对 Ar/Kr/Xe 分离效果的影响；采用 COOP 晶体轨道重叠布居结合 RRS 相对辐射稳定性指标，从成键角度评估材料抗 γ 辐照本征性能。
图文解析
图 1 液态氟钍反应堆尾气处理：传统活性炭延迟床工艺与一步法色谱分离方案对比示意图
图 2 JUC‑86 的合成、晶体结构以及孔道表征
(a) JUC‑86 合成示意图；(b) JUC‑86 晶体结构；(c) JUC‑86 孔道结构；(d) 模拟、合成态与活化后 JUC‑86 的 PXRD 谱图；(e) 195 K 测得 JUC‑86 的 CO₂吸附‑脱附等温线；插图为模型计算得到的孔径分布与累积孔体积；实心符号代表吸附分支，空心符号代表脱附分支。
图 3 JUC‑86 单组分稀有气体吸附及吸附选择性
(a) 298 K 条件下 JUC‑86 对 Xe、Kr、Ar 的单组分吸附等温线；(b) 不同气体配比条件下 JUC‑86 的 IAST 选择性；(c) 263‑363 K 范围内 JUC‑86 的 Xe 吸附等温线；(d) 263‑363 K 范围内 JUC‑86 的 Kr 吸附等温线。
图 4 混合气流条件下 JUC‑86 的 Xe/Kr 动态分离性能
(a) 298 K 下 Xe/Kr=2/8 混合气循环穿透曲线；(b) 不同温度下 Xe/Kr=2/8 混合气穿透曲线；(c) JUC‑86 与已报道代表性材料动态 Xe 吸附容量和高纯度 Kr 产率对比；(d) 模拟 LFTR 尾气工况（0.1% Xe/0.01% Kr，Ar 平衡）条件下的穿透曲线。
图 5 不同操作条件下 JUC‑86 上 Ar/Kr/Xe 制备气相色谱分离
(a) 进样 3 mL、柱温 393 K、载气 He 流量 15 mL・min⁻¹ 条件下 Ar/Kr/Xe 制备色谱图；(b) 进样 3 mL、柱温 423 K、载气 He 流量 15 mL・min⁻¹ 条件下 Ar/Kr/Xe 制备色谱图；(c) 进样 3 mL、柱温 453 K、载气 He 流量 15 mL・min⁻¹ 条件下 Ar/Kr/Xe 制备色谱图；(d) Ar/Kr；(e) Kr/Xe；(f) Ar/Xe 在不同操作条件下的色谱分辨率分析。
图 6 基于成键分析评估 JUC‑86 的辐射稳定性
(a) JUC‑86 金属镍节点的局域配位环境；(b) JUC‑86 中 Ni‑N、Ni‑O1、Ni‑O2 化学键的 COOP 曲线；(c) Ni‑N、Ni‑O1、Ni‑O2 的积分 COOP (ICOOP) 数值；(d) JUC‑86 与已报道耐辐射多孔材料的相对辐射稳定性 RRS 对比。
文章总结
该工作系统研究超微孔镍基 MOF JUC‑86 用于钍基熔盐堆尾气稀有气体分离。静态吸附表明该材料对 Xe 亲和力显著高于 Kr、Ar；动态穿透实验证实，该材料可实现 Xe/Kr 稳定循环分离，能够从模拟反应堆低浓度混合气捕获痕量 Xe；搭建制备色谱装置，在不同温度、流量、进样量条件下实现 Ar/Kr/Xe 三元组分完全色谱分离。基于晶体轨道重叠布居 COOP 的成键分析得到该材料 RRS 指标，证明其具备一定本征 γ 辐射耐受能力。该工作同时结合静态吸附、动态穿透、制备色谱、辐照稳定性理论评估，为面向先进核尾气处理的稀有气体分离吸附剂提供完整评价范式与候选材料。
文章来源：架见
文章链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.78611
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文章中 气体吸附测试数据 |
测试内容 |
参考仪器 |
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Xe/Kr混合气体 的多组分竞争 吸附穿透曲线 |
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