Fractionation of Isotopic Methanes with Metal–Organic Frameworks

选择性 吸附 化学 金属有机骨架 选择性吸附 气体分离 空气分离 同位素分离 分馏 膜 化学工程 同位素 有机化学 催化作用 量子力学 物理 工程类 生物化学 氧气
作者
Musen Zhou,Yun Tian,Weiyang Fei,Jianzhong Wu
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:123 (12): 7397-7407 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.8b11393
摘要

The need of isotopic compounds has been rising in recent years for both medical applications and scientific research. Existing technologies (e.g., cryogenic distillation, Girdler sulfide process, and supersonic beam diffraction) have difficulties to meet the growing global demand for enriching pure isotopic compounds because of low separation capacity, poor selectivity, and large energy consumptions. Metal–organic frameworks (MOFs) have been demonstrated promising for separation of isotopic compounds because of their tunable pore sizes and chemical affinities. In this work, we theoretically investigate 4764 experimentally synthesized MOFs for their potential applications in the separation of three representative isotopic methane pairs selected on the basis of their differences in molecular size, interaction energy, and a combination of both size and energy characteristics. Top MOF candidates have been identified with highest adsorption performance scores, highest adsorption selectivity, and highest membrane selectivity. The theoretical results suggest that MOF adsorption provides the selectivity of isotopic methanes, which is significantly larger than conventional separation methods. While isotopic separation by adsorption alone is compromised by a small working capacity, utilization of MOFs as a porous membrane facilitates efficient separation of isotopic methanes with both high working capacity (permeability) and large selectivity.
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