氪氙在MOFs材料上的低温吸附特性及竞争吸附机理研究

Metal-organic frameworks (MOFs) materials have extensive application prospects in gas mixtures adsorption and separation because of their superior adsorption performance. The adsorption selectivity of krypton and xenon on some MOFs will turnaround with temperature decrease, so we can achieve controllable selective adsorption for Kr/Xe on MOFs. However, at cryogenic temperature the selective adsorption mechanism of Kr/Xe on MOFs remains unclear. In this program, typical MOFs are chosen to investigate the adsorption characteristics of Kr and Xe. Particularly, according to static adsorption and dynamic adsorption at cryogenic temperature based on GM cryocooler, adsorption characteristics of pure krypton, pure xenon, Kr/Xe mixed gas on MOFs will be studied by adsorption experiments, so as to explore the influence relation of structural parameters of MOFs as well as adsorption temperature to adsorption selectivity. In situ X-ray diffraction (XRD) is utilized to investigate Kr/Xe gas adsorption sites on MOFs. Grand canonical Monte Carlo (GCMC) is utilized to simulate the selective adsorption process. Combined with the different breakthrough curves from temperature swing adsorption experiments, we will establish the cryogenic adsorption model and clarify the competitive adsorption mechanism for krypton and xenon adsorb on MOFs, and finally achieve controllable regulation of Kr/Xe adsorption selectivity of MOFs.

金属有机骨架（MOFs）材料在气体的吸附分离方面有广泛的应用前景。在低温下，氪气和氙气在某些MOFs上的吸附选择性会发生转变，所以可以实现氪和氙的可控选择性吸附，但是对于低温下氪氙在MOFs材料上选择性吸附机理还不清楚。本项目拟选择几种典型的MOFs材料，通过任意低温下的静态吸附和动态吸附性能测试，研究氪气、氙气、氪氙混合气在MOFs上的低温吸附特性，分析吸附选择性转变的热力学过程，研究MOFs材料的结构参数、吸附温度等工艺参数对氪氙在MOFs上的吸附特征，探索不同的温度对氪和氙在MOFs上吸附选择性的影响关系。通过基于同步辐射的原位XRD技术，研究氪氙分子在MOFs上的吸附位变化，采用巨正则蒙特卡洛方法（GCMC）模拟氪氙在MOFs材料上的选择性吸附过程，结合变温吸附特征曲线，建立氪氙的低温吸附模型，阐明氪氙在MOFs材料上的竞争吸附机理，实现MOFs材料对氪和氙选择性吸附的可控调节。

金属有机骨架（MOFs）材料在气体的吸附分离方面有广泛的应用前景，但是常规的MOFs材料对Xe的吸附量远远大于对Kr的吸附量，而在待分离的乏燃料尾气或者大气中，Xe的量远远小于Kr的量。因此本项目拟研究对Kr吸附性能优越的MOFs材料，通过控制MOFs的吸附温度和压力，实现Kr/Xe选择吸附系数的调控。本项目围绕氪氙气体在不同MOFs中的可控吸附性能开展了实验和理论研究。通过溶剂热法合成了多种结构的MOFs材料，应用多种表征手段对合成的新型MOFs材料进行结构表征，制备出了多种新型的含氟系列柔性MOFs。通过改变吸附性能测试的温度和压力等实验条件，研究了Kr和Xe在MOFs材料上的吸附性能。应用分子模拟软件建立MOFs材料的分子模型，利用巨正则蒙特卡洛方法（GCMC）开展了Kr/Xe在MOFs材料上吸附的分子模拟研究。研究结果表明，含氟系列MOFs材料在低温下对Xe具有吸附减弱效果，从而在一定的温度下会发生Kr/Xe吸附性能反转特性，有利于Kr/Xe的可控分离。该项目研究结果对Kr/Xe分离具有重要的科学价值和应用前景。