Trailblazing Kr/Xe Separation: The Birth of the First Kr-Selective Material

材料科学 分离(统计) 氙气 原子物理学 计算机科学 机器学习 物理
作者
Mona H. Mohamed,Islam Elzeny,Joshua Samuel,Yimeng Huang,Ahmed Helal,Mitchell Galanek,Wenqian Xu,So Yeon Kim,Tony Pham,Lenore Miller,Adam Hogan,Brian Space,Ju Li,Sameh K. Elsaidi
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (22): 29364-29373 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsami.4c01833
摘要

Efficient separation of Kr from Kr/Xe mixtures is pivotal in nuclear waste management and dark matter research. Thus far, scientists have encountered a formidable challenge: the absence of a material with the ability to selectively adsorb Kr over Xe at room temperature. This study presents a groundbreaking transformation of the renowned metal-organic framework (MOF) CuBTC, previously acknowledged for its Xe adsorption affinity, into an unparalleled Kr-selective adsorbent. This achievement stems from an innovative densification approach involving systematic compression of the MOF, where the crystal size, interparticle interaction, defects, and evacuation conditions are synergistically modulated. The resultant densified CuBTC phase exhibits exceptional mechanical resilience, radiation tolerance, and notably an unprecedented selectivity for Kr over Xe at room temperature. Simulation and experimental kinetic diffusion studies confirm reduced gas diffusion in the densified MOF, attributed to its small pore window and minimal interparticle voids. The lighter Kr element demonstrates facile surface passage and higher diffusivity within the material, while the heavier Xe encounters increased difficulty entering the material and lower diffusivity. This Kr-selective MOF not only represents a significant breakthrough in Kr separation but also demonstrates remarkable processability and scalability to kilogram levels. The findings presented herein underscore the transformative potential of engineered MOFs in addressing complex challenges, heralding a new era of Kr separation technologies.
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