【JACS】阴离子功能超微孔材料的孔化学和结构控制用于氙气创记录密度填充-比表面积测试仪-物理吸附-高压吸附-蒸气吸附-化学吸附-多组分竞争吸附-贝士德仪器

【JACS】阴离子功能超微孔材料的孔化学和结构控制用于氙气创记录密度填充

发布日期：2024-09-05 来源：贝士德仪器

全文概述

吸附分离具有相同的形状和相似的物理化学性质的氙和氪是一个具有工业前景但具有挑战性的过程。浙江大学杨启炜研究员团队通过合理设计阴离子功能超微孔材料(FUMs)的连接体来精细调节孔化学和结构，构建了一种新型水稳定的FUM(ZUL-530），其独特的阶梯式通道具有密集极性纳米陷阱，具有更大的有效孔空间，首次实现了在大气条件下金属有机框架(MOFs)中超过液态Xe密度的Xe填充密度(基于实验数据)，具有优异的Xe吸附量(0.2 bar 时为 2.55 mmol g^-1)和高的Xe/Kr(20:80, v/v)IAST选择性(20.5)。GCMC和DFT-D计算揭示了阶梯式陷阱在Xe密集堆积中的重要作用。穿透实验表明，高纯度Kr(6.70 mmol g^-1)和Xe(1.78 mmol g^-1)的产率都非常可观。ZUL-530对核工业模拟废气中的痕量Xe表现出很高的动态吸附容量(28.8 mmol kg^-1)，说明其是Xe/Kr分离的最佳候选材料之一。

背景介绍

单原子气体氙(Xe)和氪(Kr)是激光、半导体、医药和航空航天等高度复杂行业的关键原材料。工业上根据不同沸点(在大气压下，Kr：-153.2 °C，Xe：-108.1 °C)，通过高能耗的低温蒸馏法将Xe/Kr(20:80，v/v)混合物(空气分离的副产物)分离得到高纯度Xe和Kr。此外，核工业废气中作为裂变产物产生的低浓度放射性物质¹²⁷Xe、¹³³Xe、¹³⁵Xe (400 ppm)、⁸⁵Kr (40 ppm)必须进行安全分离和隔离，以防止放射性污染。由于⁸⁵Kr的半衰期很长(~10.8年)，从Xe中分离Kr是储存和处置乏核燃料的关键步骤。因此，从气体和核工业的角度来说，迫切需要开发一种节能的Xe/Kr分离技术。变压吸附能够在较温和的条件下选择性地分离气体混合物而不发生相变，金属有机框架材料(MOFs)作为吸附技术的新兴多孔固体材料，因其高孔隙率、可调的孔结构、可设计的内表面，在气体吸附与分离领域引起了广泛关注。

具有丰富阴离子和可调节孔结构的阴离子功能超微孔材料(FUMs)是Xe/Kr分离非常有前途的选择。阴离子FUMs中丰富的阴离子可提供高密度的极性位点，以增强识别Xe等极化气体的能力。目前对阴离子FUMs的研究主要集中在无机阴离子上，其中，线性阴离子FUMs通常具有较大的空腔和分散的结合位点，与稀有气体原子的相互作用较弱，并且在低压下吸附Xe有限，Xe/Kr选择性较差。较短的角连接阴离子相对线性阴离子FUMs腔体尺寸缩小，结构更紧凑，在一定程度上增强了框架与Xe原子的相互作用，但有效孔隙空间仍然不足，导致Xe吸附有限。本研究通过合理调控FUMs的孔结构和化学环境，采用有机磺酸阴离子(1,2-乙二磺酸盐，EDS^2-)设计了独特的阶梯式通道，在保证特异性识别Xe的基础上提高了Xe的吸附容量。

结构解析