ACS Mater. Lett.┃氙和氪与功能化氧化锆MOF相互作用的空间与电子效应

英文原题：Steric and Electronic Effects on the Interaction of Xe and Kr with Functionalized Zirconia Metal–Organic Frameworks

通讯作者：Fernando J. Uribe-Romo, University of Central Florida; T. Grant Glover, University of South Alabama

作者：David C. Fairchild, Mohammad I. Hossain, Jesus Cordova, T. Grant Glover, and Fernando J. Uribe-Romo

分离球形单原子的和高度反应惰性的稀有气体是材料科学领域和化学分离领域重要的挑战。在稀有气体中，由于放射性和毒性，有效分离乏核燃料中产生的氙（Xe）和氪（Kr）气体是极其重要和有挑战性的。这些乏燃料产生的废气中包含了具有不同放射性的 Xe 和 Kr 的同位素。其中尤其要注意丰度最高的放射性同位素 ⁸⁵Kr 和 ¹³³Xe。⁸⁵Kr 是一种有毒的具有 10.76 年的半衰期 β 放射源，需要储存在核废料罐中。¹³³Xe 的 β 放射性小得多，同时具有很短的半衰期（5.243 天），回收的氙气在放射医学、照明、电子学等领域具有许多实际用途，目前，低温蒸馏是分离这两种气体最佳的方法也是工业上最可行的方法，但是其耗能巨大。

利用变压吸附（PSA）是低温蒸馏的可持续替代方案，而金属有机框架（MOF）提供了系统解决该挑战的可能性。为了合理设计材料以更好的实现该目标，出现了两种主要方法：优化 MOF 孔径和基于极化率的分离。

图1. a）Xe 和 Kr 的动力学直径与静态极化率；b）UiO-68 晶胞结构；c）本研究中用到的 MOF 连接体

来自中佛罗里达大学的 Fernando J. Uribe-Romo 和南阿拉巴马大学的 T. Grant Glover 课题组近日设计了一系列具有三联苯基的 UiO-68 MOF，可以系统性的改变其空间和电子性质，包括-Me，-F，-TMS，-I 等功能基团，以评估其与 Kr 和 Xe 的相互作用。作者所制备的 MOF 都是等孔径的，并且具有相似的孔径分布，这使得作者可以直接评估官能团的作用。根据晶格计算模拟，N₂、Xe、Ar 等温吸附实验，以及选择性理论计算，作者得出结论 Xe 的吸收可以随着官能团极化率的升高而增加（-F <-Me≈-TMS <-I），而选择性与孔隙空间效应有关（−TMS < −I < −Me < −F）。

图2. 五种制备的 MOF 的 XRD 衍射谱

图3. 制备的 MOF 的 N₂ 等温吸附线和根据等温线得到的孔径分布

图4. Xe 和 Kr 的等温吸附线

扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文

ACS Materials Lett. 2021, 3, 5, 504–510

Publication Date: March 31, 2021

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.1c00077 

Copyright © 2021 American Chemical Society