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Task-Driven Tailored Covalent Organic Framework for Dynamic Capture of Trace Radioactive CH3131I under High-Flow Rate Conditions

放射性废物 共价有机骨架 放射化学 碘化物 化学 共价键 放射性碘 吸附 碘甲烷 化学吸附 物理吸附 密度泛函理论 核化学 物理化学 计算化学 有机化学 医学 甲状腺 内科学
作者
Linwei He,Baoyu Li,Zhonglin Ma,Fuqiang Zhao,Mingxing Zhang,Junchang Chen,Lingyi Li,Fangdong Tang,Linfeng He,Dan Wu,Yadong Li,Lixi Chen,Long Chen,Chao Zhao,Kecheng Cao,Xing Dai,Zhifang Chai,Shuao Wang
出处
期刊:ACS central science [American Chemical Society]
卷期号:10 (11): 2072-2081 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acscentsci.4c01318
摘要

The removal of radioactive gaseous iodine is crucial for sustainable nuclear energy development, safe spent fuel management, and secure disposal of radioactive waste and radioactive medical waste. However, the efficient capture of gaseous iodine, particularly methyl iodide, under conditions of low concentration and high-flow rate that are representative of real-world scenarios remains underexplored. Herein, we adopted a "theory-first" strategy to design adsorbents with a superior affinity for methyl iodide. The rigorous theoretical calculations for both physisorption and chemisorption have guided us to rationally design a piperazine-based covalent organic framework material (Pip-COF, Pip = piperazine). The pioneering hot-testing under dynamic conditions, featuring low concentrations of 5 ppm radioactive CH3131I and a high-flow rate of 600 mL/min, demonstrated Pip-COF's exceptional capture performance. Pip-COF exhibits saturated capacities of 39 mg/g at 75 °C and 78 mg/g at 25 °C, significantly outperforming the previously reported best COF (COF-TAPT, 6 mg/g at 25 °C) in this scenario. The gradual process of methylation and the identification of specific high-affinity sites were elucidated by time-resolved FT-IR spectroscopy and density functional theory (DFT) analysis, consistent with the design philosophy. This study exemplifies rational material design in facilitating the separation of trace pollutants in challenging environments.
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