吸附分离惰性气体金属有机骨架材料的结构设计，制备与性能研究

Separation and purification noble gas Xe and Kr is a critical and urgent issue in monitoring of radioactive Xe in atmosphere, removal of radioactive 85Kr and recycle of Xe from nuclear fuel plants off-gas. Separation Xe and Kr by selective adsorption using porous materials near room temperature would be more capital and energy efficient compared with the most currently used cryogenic method. Metal organic frameworks (MOFs) have been employed to be adsorbents for selectively adsorptive separation of noble gases Xe and Kr at room temperatures in this project. The rational mechanisms of adsorptive separation of noble gases by MOFs will be fully investigated through studying different impacts on the adsorptive separation capacities of MOFs including pore size or shape of MOFs, functional groups on the pore surface and polarizability in pore environment etc. Computer simulations will be adopted to explain experiment results and improve mechanisms study, which will advise the design and synthesis of MOFs with high performance. In summary, a series of MOFs for effectively adsorptive separation of noble gases Xe and Kr at room temperature will be obtained by combining the rational design and experiment methodologies.

惰性气体氙和氪的分离和纯化是大气放射性氙监测，核反应堆尾气中放射性85氪的去除以及氙的回收利用中的一项非常重要和紧迫的问题。利用吸附材料在室温附件通过吸附分离法实现惰性气体氙和氪的分离将比目前主要采用的低温精馏的方法更加节省资金与能耗。本研究课题拟提出利用新型的多孔材料—金属有机骨架材料来实现对惰性气体氙，氪，氩等惰性气体核素在常温条件下的选择性吸附分离。通过研究金属有机骨架材料的孔道大小和形状、孔道表面的功能基团和孔道内的极化环境等对惰性气体的吸附分离能力的影响，来深入探讨金属有机骨架材料对惰性气体核素的选择性吸附分离机理。同时运用计算模拟的方法完善实验结果的解释促进相关机理的研究，为设计合成出性能更加优良的材料提供指导。最终将材料的理论设计与实验手段相结合，制备出一系列金属有机骨架材料应用于常温下对惰性气体的高效选择性吸附分离。

高纯惰性气体极重要的工业应用价值以及核反应堆废气排放出的大量放射性惰性气体Xe与Kr核素的处理与回收从而减少对环境造成的影响都使得氙（Xe）和氪（Kr）的分离变得越来越重要。核能可能是碳基化石燃料的最便宜和最可行的替代品之一。然而，核燃料的后处理中必须安全地隔离相关的高放射性废物，以便安全和清洁地实施核能。Kr和Xe的放射性同位素以低浓度存在于核反应堆后处理设施的废气中。在这些废尾气中，必须将具有10.8年长半衰期的放射性85Kr分离和去除掉，以防止其不受控制地释放到大气中造成污染。如果我们考虑高纯度Xe气体的商业价值和广泛应用，可以捕获并分离纯化具有短半衰期的放射性Xe同位素用于工业用途。同时从Xe-Kr二元气体混合物中分离Xe和Kr也能大大减少待隔离的放射性气体废物的体积。目前低温蒸馏是将Xe和Kr与空气分离的最成熟的技术，并且已被建议用于从核反应堆废气中去除放射性稀有气体Xe和Kr。然而，该方法存在能耗高且资金昂贵的缺陷。因此利用固体多孔气体分离材料的选择性地吸附分离惰性气体Xe和Kr成为更经济和节能的替代方案，需要大量发展。金属有机框架材料（MOFs）由于优良的热稳定性以及可调的孔道结构特点成为非常有潜力的惰性气体分离材料。在本项目的工作中，我们设计与制备了一系列MOF或MOF衍生的纳米多孔碳，如阴离子框架的多孔铟 - 有机骨架材料（CPM-5，CPM-6和Co2 +交换的MOF材料Co2 + -CPM-6），MOF-Cu-H，Z11CBF-1000-2并详细地研究了这些材料的Xe和Kr的吸附分离性能。此外我们还详细研究了影响这些多孔材料对Xe / Kr分离性能的关键因素和其中的分离机理。通过调节在这些材料的孔径大小，孔结构和孔道内极化环境可能是提高材料Xe吸附容量和Xe / Kr分离选择性的有效的策略。其中一些材料（Z11CBF-1000-2）在核燃料废气后处理相应的极低浓度条件下表现出来目前为止报道的最优异的Xe吸附和分离能力。这些工作对于设计和制备更高性能的Xe / Kr分离新多孔材料的也具有重要指导意义。