資訊中心
核能作為一種清潔能源，有效地緩解了當今人類社會能源緊缺和空氣污染的壓力。但核工業的快速發展也帶來了一些問題，例如核工業會產生大量的放射性廢物，如果不能適當處理則會造成嚴重的環境問題。在處理核燃料廢物過程中，其排放的氣體中含有微量的放射性Xe和Kr。與其他核廢物相比，Xe和Kr由于其稀有氣體的本質，很難對其進行高效捕獲。因此，實現核廢氣中微量Xe和Kr的高效捕獲是目前核電發展面臨的一大難題。
02
目前已經有多種金屬-有機框架（MOFs）材料可以實現Xe和Kr的選擇性吸附。已報道用于吸附Xe和Kr的MOFs主要可以分為剛性框架和柔性框架MOFs。雖然具有適當大小孔徑的剛性框架MOFs可以容納Xe/Kr原子，但孔徑大小的微調較為困難。而一些柔性MOFs在吸附Xe或Kr分子后會表現出“呼吸效應”，實現了Xe和Kr的選擇性吸附。但是，由于“呼吸效應”對目標氣體有較大的濃度限制，因而很難被應用于微量Xe和Kr的高效捕獲。
03
近日，美國北德克薩斯大學馬勝前教授課題組、蘇州大學牛政教授課題組和美國西北太平洋國家實驗室的Thallapally研究員課題組共同報道了一種具有自調節框架的MOF材料（圖1），實現了對核廢料處理排放的氣體中微量Xe和Kr分子的高效捕獲。
圖1.
剛性、柔性和自調節框架對氣體分子的不同響應。
在這個工作中，基于多種弱相互作用力的協同效應，ATC-Cu框架表現出特殊的自調節行為，使得其可以選擇性吸附N2/O2中的Xe及Kr分子。ATC-Cu框架的自調節行為及其機理已經通過原位單晶X射線衍射測試得到了證實。如圖2所示，ATC-Cu的框架對N2和O2分子不會表現出明顯的響應，但是對Kr和Xe分子會表現出明顯的響應，其部分空腔結構會收縮以適應Xe和Kr分子，而其余空腔結構會發生膨脹。
圖2
（A）ATC-Cu框架中的空腔結構；（B）放大的空腔結構；（C）（D）空腔I和II在Xe中的結構變化。
接下來的吸附實驗表明，得益于自調節行為，ATC-Cu在0.1 bar及 298 K下對Xe和Kr表現出了非常優異的吸附能力，其對Xe和Kr的吸附量分別達到了的2.65 mmol g-1和0.52 mmol g-1，高于目前已報道的Xe和Kr吸附材料。通過研究自調節行為對ATC-Cu的氣體吸附能力的影響，作者們發現ATC-Cu對Xe/Kr和N2/O2吸附能力存在顯著差異。此外，作者們還研究了室溫下ATC-Cu對模擬核廢氣混合氣體中Xe和Kr的捕獲能力。在Xe含量約為400 ppm的混合氣體柱穿透實驗中（圖3），ATC-Cu對Xe的吸附量高于迄今為止報道的MOFs 和多孔有機籠材料。
圖3
（A）ATC-Cu在298 K及1 bar下，對混合氣體（400 ppm Xe, 40 ppm Kr, 21% O2, 由氮氣平衡）的柱穿透實驗; （B）ATC-Cu在298 K及1 bar下，對混合氣體（1000 ppm Kr, 21% O2, 由氮氣平衡）的柱穿透實驗; （C）柱穿透實驗中Xe的吸附量與其他高性能材料的比較; （D）柱穿透實驗中Kr的吸附量與其他高性能材料的比較。
綜上所述，該研究報道了具有自調節行為的MOF材料，實現了核廢料處理廢氣中微量的氙氣和氪氣的高效捕獲。這項工作為設計具有自調節行為的新型高性能分離材料提供了新的思路。
文章摘自網絡，如有侵權請聯系刪除
眾巍化學
1、稀有氣體
氙氣Xe、氪氣Kr
氦氣He、氖氣Ne
醫療準分子激光預混氣
2、特殊氣體
新戊烷、丙炔、1-丁炔
VOC、TVOC
CEMS標準氣
3、同位素氣體
一氧化碳-13C
甲烷-D4、氮氣-15N2
二氧化碳-18O、甲烷-13C
二氧化碳-13C、氧-18O