Supramolecular Assembly of One-Dimensional Coordination Polymers for Efficient Separation of Xenon and Krypton

氙气 材料科学 吸附 聚合物 惰性气体 超分子化学 选择性吸附 选择性 金属 密度泛函理论 物理化学 分子 化学 计算化学 有机化学 催化作用 冶金 复合材料
作者
Liangying Li,Lihang Chen,Lidong Guo,Zheng Fang,Zhiguo Zhang,Qiwei Yang,Yiwen Yang,Baogen Su,Qilong Ren,Jing Li,Zongbi Bao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (35): 41438-41446
标识
DOI:10.1021/acsami.3c04037
摘要

Efficient separation and purification of xenon (Xe) from krypton (Kr) represent an industrially crucial but challenging process. While the adsorption-based separation of these atomic gases represents an energy-efficient process, achieving highly selective adsorbents remains a difficult task. Here, we demonstrate a supramolecular assembly of coordination polymers, termed as M(II)-dhbq (M = Mg, Mn, Co, and Zn; dhbq = 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone), with high-density open metal sites (5.3 nm-3) and optimal pore size (5.5 Å), which are able to selectively capture Xe among other chemically inert gases including Kr, Ar, N2, and O2. Among M(II)-dhbq materials, Mn-dhbq exhibits the highest Xe uptake capacity of 3.1 mmol/g and a Xe/Kr selectivity of 11.2 at 298 K and 1.0 bar, outperforming many state-of-the-art adsorbents reported so far. Remarkably, the adsorption selectivity of Mn-dhbq for Xe/O2, Xe/N2, and Xe/Ar at ambient conditions reaches as high as 70.0, 139.3, and 64.0, respectively. Direct breakthrough experiments further confirm that all M(II)-dhbq materials can efficiently discriminate Xe atoms from other inert gases. It is revealed from the density functional theory calculations that the strong affinity between Xe and the coordination polymer is mainly attributed to the polarization by open metal sites.
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