Efficient Xe/Kr Separation Based on a Lanthanide–Organic Framework with One-Dimensional Local Positively Charged Rhomboid Channels

材料科学 镧系元素 氙气 空气分离 多孔性 密度泛函理论 金属有机骨架 吸附 气体分离 化学物理 原子物理学 物理化学 氧气 计算化学 化学 复合材料 有机化学 离子 物理 生物化学
作者
Xia Wang,Fuyin Ma,Shunshun Xiong,Zhuanling Bai,Yugang Zhang,Guodong Li,Junchang Chen,Mengjia Yuan,Yanlong Wang,Xing Dai,Zhifang Chai,Shuao Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (19): 22233-22241 被引量:35
标识
DOI:10.1021/acsami.2c05258
摘要

Efficient xenon/krypton (Xe/Kr) separation has played an important role in industry due to the wide application of high-purity Xe and with regard to the safe disposal of radioactive noble gases (85Kr and 133Xe). A less energy-demanding separation technology, adsorptive separation using porous solid materials, has been proposed to replace the traditional cryogenic distillation with intensive energy consumption. As a cutting-edge class of porous materials, metal-organic frameworks (MOFs) featuring permanent porosity, designable chemical functionalities, and tunable pore sizes hold great promise for Xe/Kr separation. Here, we report a two-dimensional (2D) lanthanide-organic framework (termed LPC-MOF, [Eu(Ccbp)(NO3)(HCOO)]·DMF0.3(H2O)2.5) with one-dimensional (1D) local positively charged rhomboid channels whose size matches well with the kinetic diameter of Xe, leading to its superior Xe/Kr separation performance. Column breakthrough experiments demonstrate that LPC-MOF exhibits a high Xe/Kr selectivity of 12.4 and an Xe adsorption amount of 3.39 mmol kg-1 under simulated conditions for real used nuclear fuel (UNF)-reprocessing plants. Furthermore, density functional theory (DFT) calculations elucidate not only the intrinsic mechanisms of Xe/Kr separation at the molecular level but also the detailed influence of the local positive charge (N+) on the performance of Xe/Kr separation in the MOF system.

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